The New Science of Evolutionary Forecasting

Ο Michael Lässig μπορεί να είναι σίγουρος ότι αν βγει από το σπίτι του στην Κολωνία της Γερμανίας, τη νύχτα της 19ης Ιανουαρίου 2030 — υποθέτοντας ότι είναι ακόμα ζωντανός και ο ουρανός είναι καθαρός — θα δει πανσέληνο.

Η αυτοπεποίθηση του Lässig δεν προέρχεται από ψυχικά μηνύματα που λαμβάνει από το μέλλον. Ξέρει ότι το φεγγάρι θα είναι γεμάτο γιατί έτσι του λέει η φυσική. «Ολόκληρη η φυσική έχει να κάνει με την πρόβλεψη και έχουμε γίνει αρκετά καλοί σε αυτό», δήλωσε ο Lässig, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Κολωνίας. «Όταν γνωρίζουμε πού βρίσκεται το φεγγάρι σήμερα, μπορούμε να πούμε πού είναι το φεγγάρι αύριο. Μπορούμε ακόμη και να πούμε πού θα είναι σε χίλια χρόνια."

Στις αρχές της καριέρας του, ο Lässig έκανε προβλέψεις για τα κβαντικά σωματίδια, αλλά στη δεκαετία του 1990, στράφηκε στη βιολογία, εξερευνώντας πώς εξελίχθηκαν τα γονίδια. Στην έρευνά του, ο Lässig κοιτούσε πίσω στο χρόνο, ανακατασκευάζοντας την εξελικτική ιστορία. Το να κοιτάξουμε μπροστά στο μέλλον της εξέλιξης δεν ήταν κάτι που έκαναν τον κόπο οι βιολόγοι. Ίσως ήταν δυνατό να προβλεφθεί η κίνηση της σελήνης, αλλά η βιολογία ήταν τόσο περίπλοκη που η προσπάθεια πρόβλεψης της εξέλιξής της φαινόταν ανόητη.

Αλλά τελευταία, η εξέλιξη αρχίζει να φαίνεται εκπληκτικά προβλέψιμη. Ο Lässig πιστεύει ότι σύντομα ίσως είναι δυνατό να γίνουν ακόμη και εξελικτικές προβλέψεις. Οι επιστήμονες μπορεί να μην είναι σε θέση να προβλέψουν πώς θα είναι η ζωή σε 100 εκατομμύρια χρόνια από τώρα, αλλά μπορεί να είναι σε θέση να κάνουν βραχυπρόθεσμες προβλέψεις για τους επόμενους μήνες ή χρόνια. Και αν κάνουν προβλέψεις για ιούς ή άλλες απειλές για την υγεία, μπορεί να είναι σε θέση να σώσουν κάποιες ζωές στη διαδικασία.

"Καθώς συλλέγουμε μερικά παραδείγματα προβλεψιμότητας, αλλάζει ολόκληρος ο στόχος της εξελικτικής βιολογίας", είπε ο Lässig.

Επανάληψη της ταινίας της ζωής

Αν θέλετε να καταλάβετε γιατί οι εξελικτικοί βιολόγοι απεχθάνονταν τόσο πολύ να κάνουν προβλέψεις, διαβάστε το «Wonderful Life», ένα βιβλίο του 1989 από τον αείμνηστο παλαιοντολόγο Stephen Jay Gould.

Το βιβλίο είναι φαινομενικά για την έκρηξη της Κάμβριας, μια αναταραχή εξελικτικής καινοτομίας που έλαβε χώρα πριν από περισσότερα από 500 εκατομμύρια χρόνια. Τα παλαιότερα γνωστά απολιθώματα πολλών από τις σημερινές μεγάλες ομάδες ζώων χρονολογούνται εκείνη την εποχή. Η δική μας καταγωγή, τα σπονδυλωτά, πρωτοεμφανίστηκε στην έκρηξη της Κάμβριας, για παράδειγμα.

Αλλά ο Γκουλντ είχε μια βαθύτερη ερώτηση στο μυαλό του καθώς έγραφε το βιβλίο του. Αν γνωρίζατε τα πάντα για τη ζωή στη Γη πριν από μισό δισεκατομμύριο χρόνια, θα μπορούσατε να προβλέψετε ότι οι άνθρωποι τελικά θα εξελισσόντουσαν;

Ο Γκουλντ σκέφτηκε ότι όχι. Αμφισβήτησε μάλιστα ότι οι επιστήμονες θα μπορούσαν να προβλέψουν με ασφάλεια ότι οποιαδήποτε σπονδυλωτά θα εξακολουθούσαν να υπάρχουν στον πλανήτη σήμερα. Πώς θα μπορούσαν, υποστήριξε, όταν η ζωή πλήττεται συνεχώς από τυχαίες εξελικτικές ριπές; Η φυσική επιλογή εξαρτάται από απρόβλεπτες μεταλλάξεις και μόλις αναδυθεί ένα είδος, η μοίρα του μπορεί να επηρεαστεί από κάθε είδους δυνάμεις, από ιογενείς επιδημίες μέχρι ηπειρωτική μετατόπιση, ηφαιστειακές εκρήξεις και κρούσεις αστεροειδών. Η συνεχής ύπαρξή μας, έγραψε ο Γκουλντ, είναι το αποτέλεσμα χιλίων ευτυχισμένων ατυχημάτων.

Για να επεξηγήσει το επιχείρημά του, ο Γκουλντ έβαλε τους αναγνώστες του να φανταστούν ένα πείραμα που ονόμασε «αναπαραγωγή της ταινίας της ζωής». «Πατάτε το κουμπί προς τα πίσω και, φροντίζοντας να διαγράψετε επιμελώς όλα όσα πραγματικά συνέβησαν, επιστρέφετε σε οποιαδήποτε στιγμή και μέρος στο παρελθόν», έγραψε. «Τότε αφήστε την κασέτα να τρέξει ξανά και δείτε αν η επανάληψη μοιάζει καθόλου με την αρχική». Ο Γκουλντ έβαλε στοίχημα ότι δεν θα το κάνει.

Αν και ο Γκουλντ το πρόσφερε μόνο ως πείραμα σκέψης, η ιδέα της επανάληψης της ταινίας της ζωής έχει αντέξει. Αυτό συμβαίνει επειδή η φύση μερικές φορές εκτελεί πειράματα που αποτυπώνουν το πνεύμα της πρότασής του.

Προβλέψιμες σαύρες

Για να είναι προβλέψιμο ένα πείραμα, πρέπει να είναι επαναλήψιμο. Εάν οι αρχικές συνθήκες είναι οι ίδιες, οι τελικές συνθήκες θα πρέπει επίσης να είναι οι ίδιες. Για παράδειγμα, ένα μάρμαρο που τοποθετείται στην άκρη ενός μπολ και ελευθερώνεται θα καταλήξει στον πάτο του μπολ όσες φορές κι αν επαναληφθεί η ενέργεια.

Οι βιολόγοι έχουν βρει περιπτώσεις στις οποίες η εξέλιξη έχει, στην πραγματικότητα, εκτελέσει το ίδιο πείραμα πολλές φορές. Και σε ορισμένες περιπτώσεις τα αποτελέσματα αυτών των φυσικών πειραμάτων έχουν αποδειχθεί πολύ παρόμοια κάθε φορά. Με άλλα λόγια, η εξέλιξη ήταν προβλέψιμη.

Μία από τις πιο εντυπωσιακές περιπτώσεις επαναλαμβανόμενης εξέλιξης έχει συμβεί στην Καραϊβική. Τα νησιά εκεί φιλοξενούν έναν τεράστιο αριθμό ιθαγενών ειδών σαύρων anole, τα οποία υπάρχουν σε μια εκπληκτική ποικιλία. Οι σαύρες ζουν στις κορυφές των δέντρων, σε δάπεδα και σε ανοιχτά λιβάδια. Έρχονται σε μια ταραχή χρωμάτων και σχημάτων. Κάποια είναι μπλε, άλλα πράσινα και άλλα γκρι. Μερικά είναι τεράστια και τολμηρά ενώ άλλα είναι μικρά και ντροπαλά.

Για να κατανοήσουν πώς εξελίχθηκε αυτή η ποικιλομορφία, ο Jonathan Losos του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ και οι μαθητές του συγκέντρωσαν DNA από τα ζώα. Αφού συνέκριναν το γενετικό υλικό από διαφορετικά είδη, οι επιστήμονες σχεδίασαν ένα εξελικτικό δέντρο, με ένα κλαδί για κάθε είδος σαύρας.

Όταν οι μετανάστες σαύρες έφτασαν σε ένα νέο νησί, ο Losos διαπίστωσε ότι οι απόγονοί τους θα μπορούσαν να εξελιχθούν σε νέα είδη. Ήταν λες και η κασέτα της σαύρας της ζωής ξανατυλιγόταν στην ίδια στιγμή και μετά έπαιξε ξανά.

Αν ο Γκουλντ είχε δίκιο, το μοτίβο της εξέλιξης σε κάθε νησί δεν θα έμοιαζε σε τίποτα με το πρότυπο των άλλων νησιών. Ωστόσο, εάν η εξέλιξη ήταν πιο προβλέψιμη, οι σαύρες θα είχαν την τάση να επαναλαμβάνουν τα ίδια μοτίβα.

Ο Λόσος και οι μαθητές του ανακάλυψαν ότι η εξέλιξη μερικές φορές παρέσυρε προς περίεργες κατευθύνσεις. Στην Κούβα, για παράδειγμα, ένα είδος σαύρας προσαρμόστηκε στο να περνά πολύ χρόνο στο νερό. Βουτάει για ψάρια και μπορεί ακόμη και να σπιντάρει στην επιφάνεια ενός ρυακιού. Δεν θα βρείτε σαύρα για ψάρεμα σε κανένα άλλο νησί της Καραϊβικής.

Ως επί το πλείστον, όμως, η εξέλιξη της σαύρας ακολούθησε προβλέψιμα μοτίβα. Κάθε φορά που οι σαύρες αποίκιζαν ένα νησί, εξελίσσονταν σε πολλές από τις ίδιες μορφές. Σε κάθε νησί, μερικές σαύρες προσαρμόστηκαν στο να ζουν ψηλά στα δέντρα, αναπτύσσοντας μαξιλαράκια στα πόδια τους για να πιάνουν τις επιφάνειες, μαζί με μακριά πόδια και ένα στιβαρό σώμα. Άλλες σαύρες προσαρμόστηκαν στη ζωή ανάμεσα στα λεπτά κλαδιά κάτω στα δέντρα, με κοντά πόδια που τις βοηθούν να αγκαλιάσουν τις στενές κούρνιες τους. Άλλες σαύρες προσαρμόστηκαν στο να ζουν σε γρασίδι και θάμνους, με μακριές ουρές και λεπτούς κορμούς. Σε νησί μετά από νησί, έχουν εξελιχθεί τα ίδια είδη σαύρων.

«Νομίζω ότι η παλίρροια τρέχει ενάντια στον Gould», είπε ο Losos. Άλλοι ερευνητές βρίσκουν επίσης περιπτώσεις στις οποίες η εξέλιξη επαναλαμβάνεται. Όταν, για παράδειγμα, οι κιχλίδες αποικίζουν λίμνες στην Αφρική, διαφοροποιούνται στο ίδιο φάσμα μορφών ξανά και ξανά.

«Αλλά το ερώτημα είναι:Ποια είναι η συνολική εικόνα;» ρώτησε ο Λόσος. «Επιλέγουμε τα παραδείγματα που λειτουργούν εναντίον του ή θα ανακαλύψουμε ότι το μεγαλύτερο μέρος της ζωής είναι ντετερμινιστικό; Κανείς δεν πρόκειται να πει ότι ο Γκουλντ έχει εντελώς λάθος. Αλλά ούτε πρόκειται να πουν ότι έχει απόλυτο δίκιο."

Εξέλιξη σε δοκιμαστικό σωλήνα

Τα φυσικά πειράματα μπορεί να είναι αποκαλυπτικά, αλλά τα τεχνητά πειράματα μπορούν να είναι ακριβή. Οι επιστήμονες μπορούν να βάλουν τους οργανισμούς στις ίδιες ακριβώς συνθήκες και στη συνέχεια να παρακολουθήσουν την εξέλιξη. Τα μικρόβια λειτουργούν καλύτερα για αυτού του είδους την έρευνα, επειδή οι επιστήμονες μπορούν να εκτρέφουν δισεκατομμύρια από αυτά σε μια φιάλη και τα μικρόβια μπορούν να περάσουν από πολλές γενιές σε μια μόνο μέρα. Το πιο εντυπωσιακό από αυτά τα πειράματα διεξάγεται εδώ και 26 χρόνια —και περισσότερες από 60.000 γενιές— στο εργαστήριο του Richard Lenski στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν.

Ο Lenski ξεκίνησε το πείραμα με ένα μόνο E. coli μικρόβιο. Το άφησε να χωριστεί σε μια ντουζίνα γενετικά πανομοιότυπους κλώνους που στη συνέχεια τοποθέτησε σε μια ντουζίνα ξεχωριστές φιάλες. Κάθε φιάλη περιείχε ένα μέσο - ένα κοκτέιλ χημικών ουσιών αναμεμειγμένο σε νερό - που δημιούργησε ο Lenski ειδικά για το πείραμα. Μεταξύ άλλων συστατικών, περιείχε γλυκόζη για να τρέφονται τα βακτήρια. Ήταν όμως μια πενιχρή προμήθεια, η οποία τελείωσε μετά από λίγες μόνο ώρες. Στη συνέχεια, τα βακτήρια έπρεπε να εξακριβώσουν την ύπαρξή τους μέχρι το επόμενο πρωί, όταν ο Λένσκι ή οι μαθητές του μετέφεραν λίγο από το ρευστό που ήταν δεμένο με μικρόβια σε μια φρέσκια φιάλη. Με ένα νέο απόθεμα γλυκόζης, θα μπορούσαν να αναπτυχθούν για μερικές ακόμη ώρες. Ο Λένσκι και οι μαθητές του στην Πολιτεία του Μίσιγκαν επαναλαμβάνουν αυτή τη αγγαρεία κάθε μέρα από τότε.

Στην αρχή, ο Λένσκι δεν ήταν σίγουρος τι θα συνέβαινε, αλλά είχε τις υποψίες του. Περίμενε μεταλλάξεις να προκύψουν τυχαία σε κάθε σειρά βακτηρίων. Μερικά θα βοηθούσαν τα μικρόβια να αναπαραχθούν ταχύτερα, ενώ άλλα θα ήταν ουδέτερα ή ακόμη και επιβλαβή. «Φαντάστηκα ότι θα έτρεχαν προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση», είπε ο Λένσκι.

Με άλλα λόγια, ο Λένσκι σκέφτηκε ότι η ταινία της ζωής θα επαναλάμβανε διαφορετικά με κάθε επανατύλιξη. Αλλά δεν είναι αυτό που συνέβη. Αυτό που παρακολούθησε ο Lenski ήταν εντυπωσιακά παρόμοιο με την εξέλιξη που έχει τεκμηριώσει ο Jonathan Losos στην Καραϊβική.

Ο Λένσκι και οι μαθητές του έχουν δει εξελικτικές παραξενιές να εμφανίζονται στο πείραμά τους - μικροβιακές εκδοχές των κουβανικών σαυρών που ψαρεύουν, αν θέλετε. Το 2003, η ομάδα του Lenski παρατήρησε ότι μια σειρά βακτηρίων είχε αλλάξει απότομα από τη διατροφή με γλυκόζη σε μια ένωση που ονομάζεται κιτρικό. Το μέσο περιέχει κιτρικό άλας για να διατηρεί τον σίδηρο σε μορφή που μπορούν να απορροφήσουν τα βακτήρια. Κανονικά, ωστόσο, τα βακτήρια δεν τρέφονται από το ίδιο το κιτρικό. Στην πραγματικότητα, η αδυναμία διατροφής με κιτρικό άλας παρουσία οξυγόνου είναι ένα από τα καθοριστικά χαρακτηριστικά του E. coli ως είδους.

Αλλά ο Λένσκι έχει επίσης παρατηρήσει ότι η εξέλιξη επαναλαμβάνεται πολλές φορές στο πείραμά του. Και οι 12 σειρές έχουν εξελιχθεί για να αναπτύσσονται γρηγορότερα με την πενιχρή διατροφή τους με γλυκόζη. Αυτή η βελτίωση συνεχίστηκε μέχρι σήμερα στις 11 γραμμές που δεν μετατοπίστηκαν στο κιτρικό. Ο διπλασιασμός τους - ο χρόνος που χρειάζονται για να διπλασιάσουν τον πληθυσμό τους - έχει επιταχύνει κατά 70 τοις εκατό. Και όταν ο Lenski και οι μαθητές του έχουν εντοπίσει τα γονίδια που έχουν μεταλλαχθεί για να προκαλέσουν αυτή τη βελτίωση, είναι συχνά τα ίδια από τη μια γραμμή στην άλλη.

«Αυτό δεν είναι καθόλου αυτό που περίμενα όταν ξεκίνησα το πείραμα», είπε ο Lenski. "Προφανώς είχα λάθος κεφάλι."

Περίπλοκη χωρίς να γίνεται τυχαία

Τα αποτελέσματα του Lenski έχουν εμπνεύσει άλλους επιστήμονες να οργανώσουν πιο περίπλοκα πειράματα. Ο Michael Doebeli, μαθηματικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας, αναρωτήθηκε πώς ο E. coli θα εξελισσόταν αν είχε δύο είδη τροφής αντί για ένα. Στα μέσα της δεκαετίας του 2000, διεξήγαγε ένα πείραμα στο οποίο παρείχε γλυκόζη - το μοναδικό βασικό στοιχείο του πειράματος του Lenski - και μια άλλη ένωση E. coli μπορεί να αναπτυχθεί, γνωστό ως οξικό.

Ο Doebeli επέλεξε τις δύο ενώσεις γιατί ήξερε ότι το E. coli τους αντιμετωπίζει πολύ διαφορετικά. Όταν του δοθεί η επιλογή μεταξύ των δύο, θα καταβροχθίσει όλη τη γλυκόζη πριν ενεργοποιήσει τη μοριακή μηχανή για τη διατροφή με οξικό άλας. Αυτό συμβαίνει επειδή η γλυκόζη είναι καλύτερη πηγή ενέργειας. Διατροφή με οξικό, αντίθετα, E. coli μπορεί να αναπτυχθεί μόνο αργά.

Κάτι αξιοσημείωτο συνέβη στο πείραμα του Doebeli - και συνέβη ξανά και ξανά. Τα βακτήρια χωρίζονται σε δύο είδη, το καθένα εξειδικευμένο για διαφορετικό τρόπο διατροφής. Ένας πληθυσμός προσαρμόστηκε καλύτερα στην ανάπτυξη με γλυκόζη. Αυτοί οι ειδικοί στη γλυκόζη τρέφονταν με τη ζάχαρη μέχρι να τελειώσει και μετά σιγά σιγά πέρασαν στη διατροφή με οξικό. Ο άλλος πληθυσμός έγινε ειδικοί στα οξικά. εξελίχθηκαν για να στραφούν στη διατροφή με οξικό άλας ακόμη και πριν εξαντληθεί η παροχή γλυκόζης και μπορούσαν να αναπτυχθούν αρκετά γρήγορα με οξικό.

Όταν δύο διαφορετικά είδη οργανισμών ανταγωνίζονται για την ίδια τροφή, είναι σύνηθες ο ένας να υπερτερεί του άλλου. Αλλά στο πείραμα του Doebeli, τα δύο είδη βακτηρίων ανέπτυξαν μια σταθερή συνύπαρξη. Αυτό συμβαίνει επειδή και οι δύο στρατηγικές, αν και καλές, δεν είναι τέλειες. Οι ειδικοί στη γλυκόζη αρχίζουν να αναπτύσσονται γρήγορα, αλλά μόλις τελειώσει η γλυκόζη, επιβραδύνουν δραστικά. Οι ειδικοί στα οξικά, από την άλλη πλευρά, δεν ωφελούνται τόσο από τη γλυκόζη. Αλλά μπορούν να αναπτυχθούν γρηγορότερα από τους αντιπάλους τους όταν τελειώσει η γλυκόζη.

Τα βακτήρια του Doebeli απηχούσαν την εξέλιξη των σαυρών στην Καραϊβική. Κάθε φορά που οι σαύρες έφταναν σε ένα νησί, διαφοροποιούνταν σε πολλές από τις ίδιες μορφές, η καθεμία με τις δικές της προσαρμογές. Τα βακτήρια του Doebeli διαφοροποιήθηκαν επίσης — και το έκαναν σε φιάλη μετά από φιάλη.

Για να κατανοήσουν βαθύτερα αυτήν την προβλέψιμη εξέλιξη, ο Doebeli και ο μεταδιδακτορικός ερευνητής του, Matthew Herron, ανέλυσαν την αλληλουχία των γονιδιωμάτων ορισμένων από τα βακτήρια από αυτά τα πειράματα. Σε τρεις διαφορετικούς πληθυσμούς ανακάλυψαν ότι τα βακτήρια είχαν εξελιχθεί σε αξιοσημείωτη παράλληλη εξέλιξη. Σε κάθε περίπτωση, πολλά από τα ίδια γονίδια είχαν μεταλλαχθεί.

Αν και τα πειράματα του Doebeli είναι πιο περίπλοκα από αυτά του Lenski, εξακολουθούν να είναι απλά σε σύγκριση με αυτό που E. coli συναντήσεις στην πραγματική ζωή. Ε. coli είναι κάτοικος του εντέρου, όπου τρέφεται με δεκάδες ενώσεις, όπου συνυπάρχει με εκατοντάδες άλλα είδη, όπου πρέπει να επιβιώσει στα μεταβαλλόμενα επίπεδα οξυγόνου και pH και όπου πρέπει να διαπραγματευτεί μια δύσκολη ανακωχή με το ανοσοποιητικό μας σύστημα. Ακόμα κι αν η εξέλιξη του E. coli μπορεί να είναι προβλέψιμη σε μια φιάλη γλυκόζης και οξικού άλατος, θα ήταν δύσκολο να προβλεφθεί πώς θα εξελιχθούν τα βακτήρια στη ζούγκλα του πεπτικού μας συστήματος.

Και όμως οι επιστήμονες εξεπλάγησαν όταν ανακάλυψαν ότι τα βακτήρια εξελίσσονται προβλέψιμα μέσα σε έναν ξενιστή. Η Isabel Gordo, μικροβιολόγος στο Ινστιτούτο Επιστημών Gulbenkian στην Πορτογαλία, και οι συνεργάτες της σχεδίασαν ένα έξυπνο πείραμα που τους επέτρεψε να παρακολουθούν βακτήρια μέσα σε ένα ποντίκι. Τα ποντίκια εμβολιάστηκαν με έναν γενετικά πανομοιότυπο πληθυσμό E. coli κλώνοι. Μόλις τα βακτήρια έφτασαν στα έντερα των ποντικών, άρχισαν να αναπτύσσονται, να αναπαράγονται και να εξελίσσονται. Και μερικά από τα βακτήρια μεταφέρθηκαν από το σώμα του ποντικιού με τα περιττώματά του. Οι επιστήμονες απομόνωσαν το πειραματικό E. coli από τα περιττώματα. Εξετάζοντας το DNA των βακτηρίων, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να παρακολουθούν την εξέλιξή τους από τη μια μέρα στην άλλη.

Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι χρειάστηκαν μόνο μέρες για να αρχίσουν να εξελίσσονται τα βακτήρια. Διαφορετικές γενεαλογίες του E. coli εντόπισαν νέες μεταλλάξεις που τους έκαναν να αναπαράγονται πιο γρήγορα από τους προγόνους τους. Και ξανά και ξανά, εξέλιξαν πολλά από τα ίδια χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, το αρχικό E. coli δεν θα μπορούσε να αναπτυχθεί εάν εκτεθεί σε ένα μόριο που ονομάζεται γαλακτιτόλη, το οποίο παράγουν τα θηλαστικά καθώς διασπούν τη ζάχαρη. Ωστόσο, η ομάδα του Gordo διαπίστωσε ότι καθώς το E. coli προσαρμόστηκε στη ζωή μέσα σε ένα ποντίκι, ανέπτυξε πάντα την ικανότητα να αντέχει τη γαλακτιτόλη. Τα βακτήρια αντιμετώπιζαν έναν ζωντανό ξενιστή σαν ένα από τα φιάλες του Lenski — ή ένα νησί στην Καραϊβική.

Evolution's Butterfly Effect

Κάθε νέο παράδειγμα προβλέψιμης εξέλιξης είναι εντυπωσιακό. Όμως, όπως προειδοποίησε ο Losos, δεν μπορούμε να είμαστε σίγουροι αν οι επιστήμονες έχουν βρει ένα ευρέως διαδεδομένο μοτίβο στη φύση. Σίγουρα, η δοκιμή περισσότερων ειδών θα βοηθήσει. Αλλά ο Doebeli έχει υιοθετήσει μια πολύ διαφορετική προσέγγιση στο ερώτημα:Χρησιμοποιεί μαθηματικά για να καταλάβει πόσο προβλέψιμη είναι η εξέλιξη συνολικά.

Το έργο του Doebeli βασίζεται σε πρωτοποριακές ιδέες που ανέπτυξαν γενετιστές όπως ο Sewall Wright στις αρχές του 1900. Ο Ράιτ απεικόνισε την εξέλιξη σαν ένα λοφώδες τοπίο. Κάθε σημείο στο τοπίο αντιπροσωπεύει έναν διαφορετικό συνδυασμό χαρακτηριστικών - το μήκος των ποδιών μιας σαύρας σε σχέση με το πλάτος του κορμού της, για παράδειγμα. Ένας πληθυσμός σαυρών μπορεί να βρίσκεται σε ένα σημείο στο τοπίο που αντιπροσωπεύει μακριά πόδια και έναν στενό κορμό. Ένα άλλο σημείο στο τοπίο θα αντιπροσώπευε κοντά πόδια και έναν στενό κορμό. Και προς μια άλλη κατεύθυνση, υπάρχει ένα σημείο που αντιπροσωπεύει τα μακριά πόδια και έναν χοντρό κορμό.

Οι ακριβείς συνδυασμοί χαρακτηριστικών σε έναν οργανισμό θα επηρεάσουν την επιτυχία του στην αναπαραγωγή. Ο Ράιτ χρησιμοποίησε την ανύψωση ενός σημείου στο εξελικτικό τοπίο για να καταγράψει αυτή την επιτυχία. Ένα εξελικτικό τοπίο μπορεί να έχει πολλές κορυφές, καθεμία από τις οποίες αντιπροσωπεύει έναν από τους καλύτερους δυνατούς συνδυασμούς. Σε ένα τέτοιο τοπίο, η φυσική επιλογή ωθεί πάντα τους πληθυσμούς στους λόφους. Τελικά, ένας πληθυσμός μπορεί να φτάσει στην κορυφή ενός λόφου. σε εκείνο το σημείο, οποιαδήποτε αλλαγή θα οδηγήσει σε λιγότερους απογόνους. Θεωρητικά, ο πληθυσμός θα πρέπει να παραμείνει στη θέση του.

Το μέλλον της εξέλιξης μπορεί να φαίνεται εύκολο να προβλεφθεί σε ένα τέτοιο τοπίο. Οι επιστήμονες θα μπορούσαν απλώς να κοιτάξουν την κλίση του εξελικτικού τοπίου και να σχεδιάσουν μια γραμμή στον πλησιέστερο λόφο.

"Αυτή η άποψη είναι απλά λάθος", είπε ο Doebeli.

Αυτό συμβαίνει επειδή η εξέλιξη του πληθυσμού αλλάζει το τοπίο. Εάν ένας πληθυσμός βακτηρίων εξελιχθεί για να τρέφεται με ένα νέο είδος τροφής, για παράδειγμα, τότε ο ανταγωνισμός για αυτό το φαγητό γίνεται σκληρός. Το όφελος από την εξειδίκευση σε αυτό το φαγητό μειώνεται και η κορυφή καταρρέει. «Είναι στην πραγματικότητα το χειρότερο μέρος για να είσαι», είπε ο Doebeli.

Για να συνεχίσει να ανηφορίζει, ο πληθυσμός πρέπει να στραφεί σε μια νέα πορεία, προς μια διαφορετική κορυφή. Αλλά καθώς ταξιδεύει σε μια νέα κατεύθυνση, αλλάζει το τοπίο για άλλη μια φορά.

Πρόσφατα, ο Doebeli και ο Iaroslav Ispolatov, ένας μαθηματικός στο Πανεπιστήμιο του Σαντιάγο στη Χιλή, ανέπτυξαν ένα μοντέλο για να κατανοήσουν πώς λειτουργεί η εξέλιξη κάτω από αυτές τις πιο περίπλοκες συνθήκες. Η ανάλυσή τους υποδηλώνει ότι η εξέλιξη μοιάζει πολύ με τον καιρό — με άλλα λόγια, είναι δύσκολο να προβλεφθεί.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1960, ένας επιστήμονας στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης ονόματι Edward Lorenz ανέπτυξε ένα από τα πρώτα μαθηματικά μοντέλα του καιρού. Ήλπιζε ότι θα αποκάλυπταν επαναλαμβανόμενα μοτίβα που θα βοηθούσαν τους μετεωρολόγους να προβλέψουν τον καιρό με μεγαλύτερη ακρίβεια.

Αλλά ο Lorenz ανακάλυψε ακριβώς το αντίθετο. Ακόμη και μια μικρή αλλαγή στις αρχικές συνθήκες του μοντέλου οδήγησε, με τον καιρό, σε δραστικά διαφορετικά είδη καιρού. Με άλλα λόγια, ο Lorenz έπρεπε να κατανοήσει τις αρχικές συνθήκες του μοντέλου με τέλεια ακρίβεια για να κάνει μακροπρόθεσμες προβλέψεις για το πώς θα άλλαζε. Ακόμη και ένα ελαφρύ λάθος θα κατέστρεφε την πρόβλεψη.

Οι μαθηματικοί αργότερα ονόμασαν αυτή την ευαισθησία χάος. Θα διαπίστωναν ότι πολλά συστήματα —ακόμα και εκπληκτικά απλά— συμπεριφέρονται χαοτικά. Ένα βασικό συστατικό για το χάος είναι η ανατροφοδότηση - η ικανότητα ενός μέρους του συστήματος να επηρεάζει ένα άλλο και το αντίστροφο. Η ανατροφοδότηση ενισχύει ακόμη και τις μικρές διαφορές σε μεγάλες. Όταν ο Lorenz παρουσίασε τα αποτελέσματά του, αστειεύτηκε ότι το πτερύγιο των φτερών μιας πεταλούδας στη Βραζιλία θα μπορούσε να πυροδοτήσει έναν ανεμοστρόβιλο στο Τέξας.

Η εξέλιξη έχει και ανατροφοδοτήσεις. Ένας πληθυσμός εξελίσσεται για να αναρριχηθεί στο εξελικτικό τοπίο, αλλά οι αλλαγές του αλλάζουν το ίδιο το τοπίο. Για να δουν πώς αυτές οι ανατροφοδοτήσεις επηρέασαν την εξέλιξη, οι Doebeli και Ispolatov δημιούργησαν τα δικά τους μαθηματικά μοντέλα. Θα έριχναν πληθυσμούς στο εξελικτικό τοπίο σχεδόν στο ίδιο σημείο. Και μετά ακολούθησαν τους πληθυσμούς όπως εξελίχθηκαν.

Σε ορισμένες δοκιμές, οι επιστήμονες παρακολούθησαν μόνο την εξέλιξη μερικών χαρακτηριστικών, ενώ σε άλλες, παρακολούθησαν πολλά. Διαπίστωσαν ότι στα απλά μοντέλα, οι πληθυσμοί έτειναν να ακολουθούν την ίδια διαδρομή, παρόλο που ξεκίνησαν από ελαφρώς διαφορετικά μέρη. Με άλλα λόγια, η εξέλιξή τους ήταν αρκετά εύκολο να προβλεφθεί.

Αλλά όταν οι επιστήμονες παρακολούθησαν την εξέλιξη πολλών χαρακτηριστικών ταυτόχρονα, αυτή η προβλεψιμότητα εξαφανίστηκε. Παρά το γεγονός ότι ξεκίνησαν κάτω από σχεδόν ίδιες συνθήκες, οι πληθυσμοί παρέσυραν σε διαφορετικά εξελικτικά μονοπάτια. Με άλλα λόγια, η εξέλιξη μετατράπηκε σε χάος.

Η έρευνα των Doebeli και Isplolatov υποδηλώνει ότι ως επί το πλείστον, η εξέλιξη είναι πολύ χαοτική για να προβλεφθεί με μεγάλη ακρίβεια. Αν έχουν δίκιο, τότε οι επιτυχίες που είχαν επιστήμονες όπως ο Losos και ο Lenski στην εύρεση προβλέψιμης εξέλιξης είναι οι εξαιρέσεις που αποδεικνύουν τον κανόνα. Το μέλλον της εξέλιξης, ως επί το πλείστον, είναι τόσο θεμελιωδώς άγνωστο όσο το μέλλον του καιρού.

Αυτό το συμπέρασμα μπορεί να φαίνεται περίεργο από τον Doebeli. Άλλωστε, έχει κάνει πειράματα στο E. coli που έχουν δείξει πόσο προβλέψιμη μπορεί να είναι η εξέλιξη. Όμως δεν βλέπει καμία αντίφαση. «Είναι απλώς θέμα χρόνου», είπε. «Σε σύντομες χρονικές περιόδους, είναι προβλέψιμο, εάν έχετε αρκετές πληροφορίες. Αλλά δεν μπορείτε να το προβλέψετε για μεγάλες χρονικές περιόδους.»

Οι Προφήτες του Δαρβίνου

Ακόμη και σε σύντομες χρονικές περιόδους, οι ακριβείς προβλέψεις μπορούν να σώσουν ζωές. Οι μετεωρολόγοι μπορούν να κάνουν αρκετά αξιόπιστες προβλέψεις για τον ύπουλο καιρό λίγες μέρες νωρίτερα. Αυτός μπορεί να είναι αρκετός χρόνος για να εκκενώσετε μια πόλη ενόψει τυφώνα ή να βρείτε προμήθειες για μια χιονοθύελλα.

Ο Richard Lenski πιστεύει ότι πρόσφατες μελέτες εγείρουν το ερώτημα εάν η εξελικτική πρόβλεψη θα μπορούσε επίσης να προσφέρει πρακτικά οφέλη. «Νομίζω ότι η απάντηση είναι σίγουρα ναι», είπε.

Ένα από τα πιο συναρπαστικά παραδείγματα προέρχεται από το Lässig. Χρησιμοποιώντας το φυσικό του υπόβαθρο, εργάζεται πάνω σε έναν τρόπο να προβλέψει τη γρίπη.

Σε όλο τον κόσμο, η γρίπη σκοτώνει έως και 500.000 ανθρώπους ετησίως. Εκτός των τροπικών περιοχών, οι λοιμώξεις κυμαίνονται ετησίως από το υψηλό το χειμώνα στο χαμηλό το καλοκαίρι. Τα εμβόλια κατά της γρίπης μπορούν να προσφέρουν κάποια προστασία, αλλά η ταχεία εξέλιξη του ιού της γρίπης τον καθιστά κινούμενο στόχο για τις προσπάθειες εμβολιασμού.

Ο ιός της γρίπης αναπαράγεται εισβάλλοντας στα κύτταρα του αεραγωγού μας και χρησιμοποιώντας τον μοριακό τους μηχανισμό για να δημιουργήσει νέους ιούς. Είναι μια ατημέλητη διαδικασία, η οποία παράγει πολλά νέα μεταλλαγμένα. Μερικές από τις μεταλλάξεις τους είναι επιβλαβείς, ακρωτηριάζοντας τους ιούς με αποτέλεσμα να μην μπορούν να αναπαραχθούν. Αλλά άλλες μεταλλάξεις είναι αβλαβείς. Και άλλοι πάλι θα κάνουν τους νέους ιούς της γρίπης ακόμα καλύτερους στο να δημιουργούν αντίγραφα του εαυτού τους.

Καθώς ο ιός της γρίπης εξελίσσεται, αποκλίνει σε πολλά διαφορετικά στελέχη. Ένα εμβόλιο που είναι αποτελεσματικό κατά ενός στελέχους θα προσφέρει λιγότερη προστασία έναντι άλλων. Έτσι, οι κατασκευαστές εμβολίων προσπαθούν να παρέχουν την καλύτερη άμυνα κάθε εποχή της γρίπης συνδυάζοντας τα τρία ή τέσσερα πιο κοινά στελέχη της γρίπης.

Ωστόσο, υπάρχει ένα πρόβλημα με αυτή την πρακτική. Η παραγωγή των εμβολίων γρίπης της νέας σεζόν διαρκεί αρκετούς μήνες. Στις Ηνωμένες Πολιτείες και σε άλλες χώρες στο βόρειο ημισφαίριο, οι κατασκευαστές εμβολίων πρέπει να αποφασίσουν τον Φεβρουάριο ποια στελέχη θα χρησιμοποιήσουν για την εποχή της γρίπης που ξεκινά τον Οκτώβριο. Συχνά κάνουν τη σωστή πρόβλεψη. Αλλά μερικές φορές ένα στέλεχος που δεν καλύπτεται από το εμβόλιο έρχεται απροσδόκητα να κυριαρχεί σε μια εποχή γρίπης. "Αν κάτι πάει στραβά, μπορεί να κοστίσει χιλιάδες ζωές", είπε ο Lässig.

Πριν από μερικά χρόνια, ο Lässig άρχισε να μελετά την ενοχλητική εξέλιξη της γρίπης. Εστίασε την προσοχή του στις ταχέως εξελισσόμενες πρωτεΐνες που συγκρατούν το κέλυφος του ιού της γρίπης, που ονομάζεται αιμοσυγκολλητίνη. Η αιμοσυγκολλητίνη προσκολλάται στους υποδοχείς των κυττάρων μας και ανοίγει μια δίοδο για την εισβολή του ιού.

Όταν αρρωσταίνουμε με γρίπη, το ανοσοποιητικό μας σύστημα ανταποκρίνεται δημιουργώντας αντισώματα που πιάνουν την άκρη της πρωτεΐνης αιμοσυγκολλητίνης. Τα αντισώματα εμποδίζουν τους ιούς να εισβάλουν στα κύτταρά μας και επίσης διευκολύνουν τα κύτταρα του ανοσοποιητικού να ανιχνεύσουν τους ιούς και να τους σκοτώσουν. Όταν λαμβάνουμε εμβόλια κατά της γρίπης, ωθούν το ανοσοποιητικό μας σύστημα να παράγει αυτά τα αντισώματα ακόμη και πριν αρρωστήσουμε, ώστε να είμαστε έτοιμοι να εξαλείψουμε μια λοίμωξη μόλις αυτή ξεκινήσει.

Οι επιστήμονες αναλύουν την αλληλουχία των γονιδίων της αιμοσυγκολλητίνης από τις εποχές της γρίπης για περισσότερα από 40 χρόνια. Εξετάζοντας αυτό το θησαυροφυλάκιο πληροφοριών, ο Lässig μπόρεσε να παρακολουθήσει την εξέλιξη των ιών. Βρήκε ότι οι περισσότερες μεταλλάξεις που άλλαξαν την άκρη της πρωτεΐνης αιμοσυγκολλητίνης βοήθησαν τους ιούς να αναπαραχθούν περισσότερο, πιθανώς επειδή δυσκόλευαν τα αντισώματα να αρπάξουν πάνω τους. Ξεφεύγοντας από το ανοσοποιητικό σύστημα, μπορούν να κάνουν περισσότερα αντίγραφα του εαυτού τους.

Κάθε στέλεχος της γρίπης έχει τη δική του συλλογή από ευεργετικές μεταλλάξεις. Αλλά ο Lässig παρατήρησε ότι οι ιοί φέρουν επίσης επιβλαβείς μεταλλάξεις στο γονίδιο αιμοσυγκολλητίνης τους. Αυτές οι επιβλαβείς μεταλλάξεις καθιστούν την αιμοσυγκολλητίνη λιγότερο σταθερή και επομένως λιγότερο ικανή να ανοίξει τα κύτταρα για εισβολή.

Συνέβη στο μυαλό του Lässig ότι αυτές οι μεταλλάξεις θα μπορούσαν να καθορίσουν ποια στελέχη θα ευδοκιμούσαν στο εγγύς μέλλον. Ίσως ένας ιός με πιο ευεργετικές μεταλλάξεις θα ήταν πιο πιθανό να ξεφύγει από το ανοσοποιητικό σύστημα των ανθρώπων. Και αν γλίτωναν την καταστροφή, θα έκαναν περισσότερα αντίγραφα του εαυτού τους. Ομοίως, ο Lässig θεωρεί ότι όσο περισσότερες επιβλαβείς μεταλλάξεις είχε ένας ιός, τόσο περισσότερο θα δυσκολευόταν να εισβάλει στα κύτταρα.

Εάν αυτό ίσχυε, τότε θα ήταν δυνατό να προβλεφθεί ποια στελέχη θα γίνονταν περισσότερο ή λιγότερο κοινά με βάση πόσες ωφέλιμες και επιβλαβείς μεταλλάξεις έφεραν. Συνεργαζόμενος με τη βιολόγο Marta Łuksza από το Πανεπιστήμιο Columbia, βρήκε έναν τρόπο να αξιολογήσει τις εξελικτικές δυνατότητες κάθε στελέχους της γρίπης. Για κάθε ευεργετική μετάλλαξη, ένα στέλεχος κέρδιζε έναν βαθμό. Για κάθε επιβλαβή, ο Lässig και ο Łuksza αφαίρεσαν έναν βαθμό.

Οι επιστήμονες εξέτασαν χιλιάδες στελέχη γρίπης που έχουν δειγματιστεί από το 1993. Θα υπολόγιζαν τη βαθμολογία για κάθε στέλεχος σε ένα δεδομένο έτος και στη συνέχεια θα χρησιμοποιούσαν αυτή τη βαθμολογία για να προβλέψουν πώς θα τα πήγαινε το επόμενο έτος. Προέβλεψαν σωστά εάν ένα στέλεχος θα αυξανόταν ή θα μειωνόταν περίπου στο 90 τοις εκατό του χρόνου. «Είναι μια απλή διαδικασία», είπε ο Lässig. "Αλλά λειτουργεί αρκετά καλά."

Ο Lässig και οι συνεργάτες του διερευνούν τώρα τρόπους για να βελτιώσουν τις προβλέψεις τους. Ο Lässig ελπίζει να είναι σε θέση να κάνει προβλέψεις για τις μελλοντικές εποχές της γρίπης τις οποίες θα μπορούσε να συμβουλευτεί ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας καθώς αποφασίζουν ποια στελέχη θα πρέπει να συμπεριληφθούν στα εμβόλια της γρίπης. «Είναι απλώς θέμα μερικών ετών», είπε.

Η γρίπη δεν είναι η μόνη ασθένεια που οι εξελικτικές προβλέψεις θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην καταπολέμηση. Τα βακτήρια αναπτύσσονται γρήγορα αντίσταση στα αντιβιοτικά. Εάν οι επιστήμονες μπορούν να προβλέψουν το μονοπάτι που θα ακολουθήσουν τα μικρόβια, μπορεί να είναι σε θέση να βρουν στρατηγικές για την τοποθέτηση οδοφραγμάτων.

Η πρόβλεψη θα μπορούσε επίσης να είναι χρήσιμη για την καταπολέμηση του καρκίνου. Όταν τα κύτταρα γίνονται καρκινικά, υφίστανται μια δική τους εξέλιξη. Καθώς τα καρκινικά κύτταρα διαιρούνται, μερικές φορές αποκτούν μεταλλάξεις που τα αφήνουν να αναπτυχθούν πιο γρήγορα ή να διαφεύγουν της προσοχής του ανοσοποιητικού συστήματος. Μπορεί να είναι δυνατό να προβλεφθεί πώς θα εξελιχθούν οι όγκοι και στη συνέχεια να προγραμματιστούν οι θεραπείες ανάλογα.

Πέρα από την πρακτική του αξία, ο Lässig βλέπει μια βαθιά σημασία στο να μπορεί κανείς να προβλέψει την εξέλιξη. Θα φέρει την επιστήμη της εξελικτικής βιολογίας πιο κοντά σε άλλους τομείς όπως η φυσική και η χημεία. Ο Lässig δεν πιστεύει ότι θα είναι σε θέση να προβλέψει την εξέλιξη τόσο εύκολα όσο μπορεί την κίνηση του φεγγαριού, αλλά ελπίζει ότι υπάρχουν πολλά σχετικά με την εξέλιξη που θα αποδειχθούν προβλέψιμα. "Θα υπάρξει ένα όριο, αλλά δεν ξέρουμε πού είναι το όριο", είπε.