Tämä on siis jotain ilmeisen tason alapuolella, eikö niin? Et välttämättä huomaa sitä, jos katsot yksilöä tai populaatiota, mutta saatat huomata, jos katsot sukupolvesta toiseen.

Joo. Tämän kestävyyden havaitseminen edellyttää, että katsot pinnan alle. Me ja muut olemme havainneet tämän nyt monissa eri järjestelmissä. Se näyttää olevan jotain melko yleistä, joka pätee useilla organisaatiotasoilla. Minua kiehtovat periaatteet, jotka eivät koske vain yhtä organismia tai yhdenlaista järjestelmää, vaan voivat toimia useilla eri organisaatiotasoilla. Ja tämä on yksi ehdokas.

Kun perustit laboratorion Zürichin yliopistoon, mitä teit jatkaaksesi näiden ajatusten tutkimista?

Tässä on yksi ensimmäisistä kokeistamme: Joku oli havainnut sen, kun bakteeri Escherichia coli joutuu ihmisen suolistoon, ympäristö sisältää happea. Mutta kun se joutuu syvemmälle suolistoon, ympäristöstä alkaa puuttua happea. E. coli täytyy ilmentää erilaisia ​​geenejä riippuen siitä, onko happea vai ei.

On käynyt ilmi, E. coli on kehittänyt tämän ennakoivan vasteen, jossa heti kun se tulee maha-suolikanavaan, se alkaa aktivoida tarvittavat geenit ennen kuin se osuu hapottomalle alueelle. Sen ennakointi on saattanut kehittyä niistä tuhansista miljoonista kertoja, jolloin se on käynyt suolistossa: Kun se lämpenee tai pH laskee tai mikä se on, sen on kytkettävä nämä geenit päälle, koska pian se loppuu. hapesta.

Halusimme selvittää, voitko kehittää jotain sellaista laboratoriossa. Joten kiertelimme hiivaa eri stressaavien ympäristöjen välillä. Kun hiiva on käynyt läpi kierron useita kertoja, alkaisiko se aktivoida oksidatiivisen stressin geenejä [liian suuresta reaktiivisesta hapesta] ennen kuin oksidatiivinen stressi iskee? Löysimme todisteita siitä, että he tekivät.

Se oli sellainen kokeilu, jonka parissa haluan työskennellä ja joka on periaatteessa hyvin yksinkertainen ja jossa on kyse perustavanlaatuisesta ideasta – voivatko tässä tapauksessa jopa hyvin yksinkertaiset organismit ennakoida tulevaisuutta?

Sanoisitko, että ensimmäisen kirjasi ideat Parhaiden saapuminen (Penguin Random House, 2015) olivat peräisin siitä, mitä olit tekemässä laboratoriossa?

Nämä kokeet antoivat varmasti tietoa siitä, mitä kirjaan kirjoitin. Mutta kokeet eivät todellakaan olleet kirjan taustalla. Juuri tämä perusidea oli se, että voimme ajatella evoluutiota genotyyppien tilan tutkimisena. Voimme tutkia organismien sopeutumiskykyä ymmärtämällä, miten tila on järjestetty. Ovatko kaikki genotyypit, joilla on yksi fenotyyppi, tuon tilan yhdessä kulmassa? Vai ovatko ne jotenkin hajallaan avaruudessa? Minusta se oli tärkeä idea, eikä kukaan ollut kirjoittanut siitä.

Joten ajatus on, että geenien eri versiot voivat vaikuttaa organismien evoluutiokuntoon, ja tämä voidaan piirtää kunto maisema. Voitko selittää, mikä on kuntoilumaisema?

A kunto maisema on fyysisen maiseman analogi, jossa jokainen sijainti vastaa genotyyppiä - DNA-sekvenssiä, ehkä vain yhdelle geenille. Ja korkeus kyseisessä paikassa vastaa jotain laadun mittaa - esimerkiksi kuntoa tai entsyymin kykyä katalysoida reaktiota tai tehdä jotain muuta organismille tärkeää.

Tämä on evoluutiobiologian peruskäsite. Mutta tällä alueella oli vain teoriaa lähes 80 vuoden ajan. Tuhansia artikkeleita on julkaistu siitä, miltä nämä maisemat voisivat näyttää, mutta tällä alueella on hyvin, hyvin vähän kokeellista työtä.

Se alkoi hieman muuttua 2000-luvun alussa. Ihmiset alkoivat luoda genotyyppikokoelmia ja tutkia niiden fenotyyppejä. Nämä ensimmäiset maisemat sisälsivät vain noin 20-40 genotyyppiä. Pieni verrattuna näihin astronomisiin genotyyppien määrään, joka meillä on genomissamme. Ja se oli kiehtovaa, mutta minusta tuntui, että voisimme luultavasti tehdä paremmin – että voisimme luoda ja tutkia paljon enemmän suuria maisemia ja ehkä vastata suureen kysymykseen: kuinka kehittyvät populaatiot löytävät tällaisen maiseman korkeimmat huiput ja sopeutuvat parhaiten erityinen ympäristö?

Miksi se on vaikea kysymys?

Jos maisema on tasainen, niin sanottu Fuji-vuoren maisema, siellä on yksi huippu, ja kaikki siihen huipulle nousevat rinteet ovat täysin tasaisia. Kehittyvässä populaatiossa valinta ajaa populaation aina ylämäkeen. Se voisi helposti löytää korkeimman huipun.

Jos maisema on kuitenkin karu ja siinä on useita huippuja, sinulla on ongelma. Ehkä useimmat näistä huipuista ovat matalia ja vastaavat genotyyppejä, joiden kunto on huono ja jotka ovat huonosti sopeutuneet ympäristöönsä. Koska luonnollinen valinta vain ajaa populaatioita kohti parempaa kuntoa, et voi mennä pidemmälle, kun olet jumissa väestön alhaisella huipulla. Et voi kulkea laaksoa huipun, jossa olet, ja seuraavan korkeamman huipun välillä. Jotkut mekanismit voivat tehdä sen, mutta ne koskevat esimerkiksi erittäin suuria populaatioita tai populaatioita, joilla on erittäin, erittäin korkea mutaatioaste.

Teoreettista maisema-analyysiä koskevissa sadoissa tai tuhansissa kirjoissa tämä ongelma tunnistettiin varhain. Ihmiset olivat huolissaan siitä, että todelliset maisemat saattavat olla erittäin karuja. Jos näin on, evoluutio ei koskaan voisi löytää parhaiten sopeutuneita organismeja. Ehkä koko elämän monimuotoisuus on sitten jotain paljon huonommin sopeutunutta kuin se voisi olla. Tästä tuli siis todella tärkeä ongelma.

Kiinnostuin ongelmasta todella, kun kävi selväksi, että sen tutkimista varten olisi mahdollista tuottaa tuhansia genotyyppejä CRISPR-Casilla. Meillä on vielä jonkin verran työtä tämän kysymyksen tutkimiseksi, mutta se on vielä harkinnassa lehdissä, joten en pääse yksityiskohtiin.

Kerro minulle uuden kirjasi työstä.

Sekä taiteessa että tieteessä on hyvin tutkittu ilmiö, että monet erittäin luovat ihmiset kokevat elämänsä aikana paljon turhautumista ja epäonnistumista, mutta päätyvät myöhemmin hyvin kuuluisiksi. Tälle on olemassa jopa termi, jota käytetään kuvaamaan tieteellisiä julkaisuja, joita ei tunnisteta heti ilmestyessään: Niitä kutsutaan "nukkuviksi kaunottareiksi".

Nyt tutkin evoluutiota, ja evoluutiossa on jonkin verran analoginen kaava. On ollut monia elämänmuotoja, jotka eivät olleet kovin menestyneitä millään tasolla syntyessään. Ne eivät säteillyt satoihin lajeihin, eivätkä ne peittäneet suuria alueita planeetan pinnasta. Mutta odota tarpeeksi kauan, ja niistä tuli erittäin menestyviä.

Paras esimerkki on ruoho. Nykyään ruoho on yksi planeetan menestyneimmistä organismiperheistä. Ne kattavat valtavia määriä aluetta useimmilla mantereilla ja ovat kehittäneet valtavan monimuotoisuuden, noin 10,000 65 hyvin erilaista lajia. Niiden koko vaihtelee Etelämantereen ruohojen pienistä tupsuista Aasian valtaviin bambumetsiin. Heinät ovat vanhoja. Löydämme ruohon siitepölyä kivettyneestä dinosauruslannasta 40 miljoonan vuoden takaa. Mutta mikä on varsin merkittävää, on se, että heinäkasvien syntyessään ja monien miljoonien vuosien ajan sen jälkeen ne vain etsivät elantoa biosfäärin reuna-alueilla. Jotta tämä muuttuisi, heidän piti odottaa kirjaimellisesti XNUMX miljoonaa vuotta paikkaansa auringossa.

Näemme samanlaisia ​​​​malleja monissa organismeissa. Nisäkkäät syntyivät yli 100 miljoonaa vuotta ennen kuin ne menestyivät. Evoluutio kokeili erilaisia ​​nisäkkäiden elämänmuotoja ja elämäntapoja, kuten lepakoiden lentämistä tai saukkoa elävissä vedessä tai puussa elämistä ja niin edelleen. Monet näistä syntyivät ja hävisivät uudelleen. Ne olivat niin epäonnistuneita, että evoluution täytyi itse asiassa keksiä ne uudelleen. Tämä tapahtui joissakin nisäkässukuissa useita kertoja ennen kuin nisäkkäät menestyivät todella.

Näemme samanlaisia ​​ilmiöitä mehiläisissä ja muissa hyönteisissä. Niin monet, monet erilaiset elämänmuodot eivät olleet kovin menestyviä alussa ja sitten menestyivät.

Olen erittäin kiinnostunut periaatteista, jotka pätevät koko elämän universaalisti riippumatta siitä, onko kyse ihmiselämästä vai jostain, joka on saanut alkunsa 4 miljardia vuotta sitten. Se oli kirjan kirjoittamisen perusta. Kirja kertoo todella kaikista näistä uinuvista innovaatioista.

Tuntuu, että tällaisen viivästyneen muunnelman ja aiemmin tekemiesi kokeiden välillä on jokin yhteys.

Kun löysimme tällaisen ilmiön laboratoriosta, kiinnostuin siitä. Otimme E. coli ja altistaneet heidät ympäristölle, joka sisältää paljon ampisilliini-nimistä antibioottia. Suurin osa heistä kuolee tuon antibiootin läsnäollessa. Mutta bakteerit kehittävät erittäin nopeasti antibioottiresistenssiä, joten muutamassa viikossa niillä ei ole mitään ongelmaa selviytyä suurista antibioottiannoksista.

Olimme kiinnostuneita muista ominaisuuksista, jotka nämä bakteerit hankkivat tuon evoluutioprosessin sivutuotteena. Selvittääksemme, mitä ne voivat olla, altistimme bakteerit sadoille muille myrkyllisille ympäristöille, jotka sisälsivät muita antibiootteja tai myrkkyjä, kuten raskasmetalleja tai liuottimia. Tiesimme aikaisemmasta työstä, että monissa näistä ympäristöistä bakteerit eivät voi selviytyä tai selviytyä erittäin huonosti.

Tärkeää on ymmärtää, että nämä bakteerit eivät olleet kohdanneet mitään näistä ympäristöistä ennen kokeitamme. Mutta huomasimme, että noin 20 näistä ympäristöistä bakteerit voisivat selviytyä melko hyvin. Oli huomattavaa, että evoluution sivutuotteena yhdestä asiasta saat jotain aivan muuta. Eikä vain yksi asia, vaan useita elinkelpoisuuden piirteitä.

Mitä toivot tekeväsi tulevaisuudessa, mikä liittyy tähän ajatukseen?

Minuun otti juuri yhteyttä meren mikrobiologi, joka haluaisi tehdä samanlaisen kokeen laboratoriossa muovien kanssa. Hän on yksi harvoista ihmisistä, jotka ovat tutkineet Great Pacific Garbage Patch -jätteitä ja ottaneet näytteitä siitä mikrobipesäkkeitä muovien pinnalla. Hän on kiinnostunut siitä, kuinka muovilla kehittyvät bakteerit voivat kehittää muita kykyjä sivutuotteena. Meillä oli paperi samasta aiheesta luonto Vuonna 2012. Osoitimme teoreettisesti, että bakteerit, jotka selviävät yhdestä ravintoainelähteestä, voivat usein selviytyä kymmenistä muista lähteistä, joita he eivät ole koskaan kohdanneet luonnossa.

Siellä on paljon erilaisia ​​uusia tutkimussuuntia, joihin sieltä voisi haarautua. Toivon, että biologian ihmiset alkavat kiinnittää enemmän huomiota tähän organismien kykyyn kehittää niin kutsuttuja piileviä piirteitä.

Kun näemme ominaisuuden, joka on kehittynyt organismissa, meillä on tämä refleksi ajatella, että se on luonnollisen valinnan tuote, eikö niin? Että jossain vaiheessa omaisuus oli hyödyllinen organismin selviytymiselle, ja siksi näemme sen tänään. Mutta kuten tällaiset kokeet osoittavat, niin ei välttämättä ole ollenkaan.

Se olisi voinut olla valinta johonkin täysin muuhun.

Tarkalleen. Se voi olla vain sivutuote. Ja siksi ei luultavasti ole järkevää aina omaksua adaptaatio- tai selektionäkökulmaa. Voi olla monia ominaisuuksia, jotka ovat olemassa ilman mitään hyvää syytä.

Tiedämme esimerkkejä myös luonnosta. On maanalaisia ​​luolia, jotka ovat olleet täysin suljettuina ulkomaailmasta miljoonien vuosien ajan. Ja kun ihmiset menivät luoliin ja ottivat näytteitä bakteereista, jotka eivät olleet koskaan olleet kosketuksissa ihmisen sivilisaatioon, he havaitsivat, että nämä bakteerit olivat resistenttejä useille antibiooteille. Ja jotkut näistä antibiooteista eivät ole luonnollisia molekyylejä - ne ovat molekyylejä, joita esiintyy vain laboratoriossa.

Saattaa tuntua melkein siltä, ​​että nämä bakteerit ovat selvänäkijöitä, tiedätkö? Kuten he odottivat, että heidän pitäisi jossain vaiheessa olla vastustuskykyisiä antibiooteille, kun ihmiskunta tulee, eikö niin? Mutta on olemassa hyvin arkipäiväinen selitys, joka liittyy näihin piileviin piirteisiin, jotka tunnistimme laboratoriossa tehdyissä kokeissa. Nämä ominaisuudet ovat siis todella olemassa luonnossa. Ne eivät ole vain kokeiden esineitä.