Τα τυχαία μονοπάτια της εξέλιξης οδηγούν σε ένα μέρος
Στο εργαστήριό του στον τέταρτο όροφο στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, ο Michael Desai δημιούργησε εκατοντάδες πανομοιότυπους κόσμους για να παρακολουθήσει την εξέλιξη στην εργασία. Κάθε ένα από τα σχολαστικά ελεγχόμενα περιβάλλοντα του φιλοξενεί ένα ξεχωριστό στέλεχος μαγιάς αρτοποιίας. Κάθε 12 ώρες, οι βοηθοί ρομπότ της Desai βγάζουν την πιο γρήγορα αναπτυσσόμενη μαγιά σε κάθε κόσμο - επιλέγοντας την πιο κατάλληλη για να ζήσουν - και απορρίπτουν την υπόλοιπη. Στη συνέχεια, ο Desai παρακολουθεί τα στελέχη καθώς εξελίσσονται κατά τη διάρκεια 500 γενεών. Το πείραμά του, για το οποίο άλλοι επιστήμονες λένε ότι είναι άνευ προηγουμένου σε κλίμακα, επιδιώκει να αποκτήσει μια εικόνα για ένα ερώτημα που έχει ταλαιπωρήσει εδώ και καιρό τους βιολόγους:Αν μπορούσαμε να ξεκινήσουμε τον κόσμο από την αρχή, θα εξελισσόταν η ζωή με τον ίδιο τρόπο;
Πολλοί βιολόγοι υποστηρίζουν ότι όχι, ότι τυχαίες μεταλλάξεις νωρίς στο εξελικτικό ταξίδι ενός είδους θα επηρεάσουν βαθιά τη μοίρα του. «Αν επαναλάβετε την ταινία της ζωής, μπορεί να έχετε μια αρχική μετάλλαξη που σας οδηγεί σε μια εντελώς διαφορετική κατεύθυνση», είπε ο Ντεσάι, παραφράζοντας μια ιδέα που πρωτοπαρουσιάστηκε από τον βιολόγο Stephen Jay Gould τη δεκαετία του 1980.
Τα κύτταρα ζύμης του Desai αμφισβητούν αυτή την πεποίθηση. Σύμφωνα με αποτελέσματα που δημοσιεύθηκαν στο Science τον Ιούνιο, όλες οι ποικιλίες ζύμης του Desai έφτασαν στο ίδιο εξελικτικό τελικό σημείο (όπως μετρήθηκε από την ικανότητά τους να αναπτύσσονται υπό συγκεκριμένες εργαστηριακές συνθήκες) ανεξάρτητα από το ποια ακριβή γενετική διαδρομή ακολούθησε κάθε στέλεχος. Λες και 100 ταξί της Νέας Υόρκης συμφώνησαν να ακολουθήσουν χωριστούς αυτοκινητόδρομους σε έναν αγώνα προς τον Ειρηνικό Ωκεανό και 50 ώρες αργότερα συγκεντρώθηκαν όλοι στην προβλήτα της Σάντα Μόνικα.
Τα ευρήματα υποδηλώνουν επίσης μια αποσύνδεση μεταξύ της εξέλιξης σε γενετικό επίπεδο και σε επίπεδο ολόκληρου του οργανισμού. Οι γενετικές μεταλλάξεις συμβαίνουν ως επί το πλείστον τυχαία, ωστόσο το άθροισμα αυτών των άσκοπων αλλαγών δημιουργεί κατά κάποιο τρόπο ένα προβλέψιμο μοτίβο. Η διάκριση θα μπορούσε να αποδειχθεί πολύτιμη, καθώς πολλές γενετικές έρευνες έχουν επικεντρωθεί στον αντίκτυπο των μεταλλάξεων σε μεμονωμένα γονίδια. Για παράδειγμα, οι ερευνητές συχνά ρωτούν πώς μια μεμονωμένη μετάλλαξη μπορεί να επηρεάσει το ένα μικρόβιο ανοχή στις τοξίνες ή α κίνδυνος του ανθρώπου για ασθένεια. Ωστόσο, εάν τα ευρήματα του Desai ισχύουν και σε άλλους οργανισμούς, θα μπορούσαν να προτείνουν ότι είναι εξίσου σημαντικό να εξεταστεί πώς μεγάλοι αριθμοί μεμονωμένων γενετικών αλλαγών λειτουργούν συντονισμένα με την πάροδο του χρόνου.
«Υπάρχει ένα είδος έντασης στην εξελικτική βιολογία μεταξύ της σκέψης για μεμονωμένα γονίδια και της δυνατότητας η εξέλιξη να αλλάξει ολόκληρο τον οργανισμό», δήλωσε ο Michael Travisano, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα. "Όλη η βιολογία έχει επικεντρωθεί στη σημασία των μεμονωμένων γονιδίων τα τελευταία 30 χρόνια, αλλά το μεγάλο μήνυμα αυτής της μελέτης είναι ότι δεν είναι απαραίτητα σημαντικό."
Το βασικό πλεονέκτημα στο πείραμα του Desai είναι το άνευ προηγουμένου μέγεθός του, το οποίο έχει περιγραφεί από άλλους στον τομέα ως «τολμηρό». Ο σχεδιασμός του πειράματος έχει τις ρίζες του στο υπόβαθρο του δημιουργού του. Ο Ντεσάι εκπαιδεύτηκε ως φυσικός και από τη στιγμή που ξεκίνησε το εργαστήριό του πριν από τέσσερα χρόνια, εφάρμοσε μια στατιστική προοπτική στη βιολογία. Επινόησε τρόπους για να χρησιμοποιεί ρομπότ για να χειρίζεται με ακρίβεια εκατοντάδες γραμμές μαγιάς, ώστε να μπορεί να εκτελεί εξελικτικά πειράματα μεγάλης κλίμακας με ποσοτικό τρόπο. Οι επιστήμονες έχουν μελετήσει από καιρό τη γενετική εξέλιξη των μικροβίων, αλλά μέχρι πρόσφατα, ήταν δυνατό να εξεταστούν μόνο μερικά στελέχη κάθε φορά. Η ομάδα του Desai, αντίθετα, ανέλυσε 640 γραμμές ζύμης που είχαν προέλθει από ένα μονογονικό κύτταρο. Η προσέγγιση επέτρεψε στην ομάδα να αναλύσει στατιστικά την εξέλιξη.
«Αυτή είναι η προσέγγιση του φυσικού στην εξέλιξη, απογυμνώνοντας τα πάντα στις απλούστερες δυνατές συνθήκες», είπε ο Joshua Plotkin, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια που δεν συμμετείχε στην έρευνα αλλά έχει συνεργαστεί με έναν από τους συγγραφείς. «Θα μπορούσαν να μοιράσουν πόσο μεγάλο μέρος της εξέλιξης αποδίδεται στην τύχη, πόσο στο σημείο εκκίνησης και πόσο στον θόρυβο της μέτρησης».
Το σχέδιο του Desai ήταν να παρακολουθήσει τα στελέχη ζύμης καθώς μεγάλωναν κάτω από ίδιες συνθήκες και στη συνέχεια να συγκρίνει τα τελικά επίπεδα φυσικής τους κατάστασης, τα οποία καθορίστηκαν από το πόσο γρήγορα αναπτύχθηκαν σε σύγκριση με το αρχικό προγονικό τους στέλεχος. Η ομάδα χρησιμοποίησε ειδικά σχεδιασμένους βραχίονες ρομπότ για να μεταφέρει αποικίες ζύμης σε ένα νέο σπίτι κάθε 12 ώρες. Οι αποικίες που είχαν αναπτυχθεί περισσότερο εκείνη την περίοδο προχώρησαν στον επόμενο γύρο και η διαδικασία επαναλήφθηκε για 500 γενιές. Ο Sergey Kryazhimskiy, ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Desai, περνούσε μερικές φορές τη νύχτα στο εργαστήριο, αναλύοντας την καταλληλότητα καθενός από τα 640 στελέχη σε τρία διαφορετικά χρονικά σημεία. Οι ερευνητές θα μπορούσαν στη συνέχεια να συγκρίνουν πόση φυσική κατάσταση διέφερε μεταξύ των στελεχών και να ανακαλύψουν εάν οι αρχικές ικανότητες ενός στελέχους επηρέασαν την τελική του κατάσταση. Επίσης, ανέλυσαν την αλληλουχία των γονιδιωμάτων 104 από τα στελέχη για να καταλάβουν εάν οι πρώιμες μεταλλάξεις άλλαξαν την τελική απόδοση.
Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι μικρές αλλαγές νωρίς στο εξελικτικό ταξίδι μπορεί να οδηγήσουν σε μεγάλες διαφορές αργότερα, μια ιδέα που είναι γνωστή ως ιστορικό ενδεχόμενο. Μακροχρόνιες μελέτες εξέλιξης σε βακτήρια E. coli, για παράδειγμα, διαπίστωσαν ότι τα μικρόβια μπορεί μερικές φορές να εξελιχθούν για να φάνε ένα νέο είδος τροφής, αλλά ότι τέτοιες ουσιαστικές αλλαγές συμβαίνουν μόνο όταν συμβαίνουν πρώτα ορισμένες μεταλλάξεις. Αυτές οι πρώιμες μεταλλάξεις δεν έχουν μεγάλη επίδραση από μόνες τους, αλλά θέτουν τις απαραίτητες βάσεις για μεταγενέστερες μεταλλάξεις.
Αλλά λόγω της μικρής κλίμακας τέτοιων μελετών, δεν ήταν σαφές στον Ντεσάι αν αυτές οι περιπτώσεις ήταν η εξαίρεση ή ο κανόνας. «Έχετε συνήθως μεγάλες διαφορές στο εξελικτικό δυναμικό που προκύπτουν στη φυσική πορεία της εξέλιξης ή ως επί το πλείστον η εξέλιξη είναι προβλέψιμη;» αυτός είπε. "Για να απαντήσουμε σε αυτό χρειαζόμασταν τη μεγάλη κλίμακα του πειράματός μας."
Όπως και σε προηγούμενες μελέτες, ο Desai διαπίστωσε ότι οι πρώιμες μεταλλάξεις επηρεάζουν τη μελλοντική εξέλιξη, διαμορφώνοντας την πορεία που ακολουθεί η ζύμη. Αλλά στο πείραμα του Desai, αυτό το μονοπάτι δεν επηρέασε τον τελικό προορισμό. «Αυτό το συγκεκριμένο είδος έκτακτης ανάγκης κάνει στην πραγματικότητα την εξέλιξη της φυσικής κατάστασης πιο προβλέψιμη, όχι λιγότερο», είπε ο Desai.
Ο Desai ανακάλυψε ότι όπως ένα μόνο ταξίδι στο γυμναστήριο ωφελεί περισσότερο έναν αθλητή από τον καναπέ, τα μικρόβια που άρχισαν να αναπτύσσονται σιγά-σιγά κέρδισαν πολύ περισσότερα από ευεργετικές μεταλλάξεις σε σχέση με τους πιο κατάλληλους ομολόγους τους που εκτοξεύτηκαν έξω από την πύλη. «Εάν υστερείτε στην αρχή λόγω κακής τύχης, θα τείνετε να τα πηγαίνετε καλύτερα στο μέλλον», είπε ο Desai. Συγκρίνει αυτό το φαινόμενο με την οικονομική αρχή της μείωσης των αποδόσεων — μετά από ένα ορισμένο σημείο, κάθε μονάδα προσπάθειας που προστίθεται βοηθάει όλο και λιγότερο.
Οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν γιατί όλοι οι γενετικοί δρόμοι στη ζύμη φαίνονται να φτάνουν στο ίδιο τελικό σημείο, μια ερώτηση που ο Desai και άλλοι στον τομέα βρίσκουν ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα. Η ζύμη ανέπτυξε μεταλλάξεις σε πολλά διαφορετικά γονίδια και οι επιστήμονες δεν βρήκαν προφανή σχέση μεταξύ τους, επομένως δεν είναι σαφές πώς αυτά τα γονίδια αλληλεπιδρούν στο κύτταρο, αν αλληλεπιδρούν καθόλου. "Ίσως υπάρχει ένα άλλο στρώμα μεταβολισμού που κανείς δεν μπορεί να το χειριστεί", δήλωσε ο Vaughn Cooper, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του New Hampshire που δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Επίσης, δεν είναι ακόμη σαφές εάν τα προσεκτικά ελεγχόμενα αποτελέσματα του Desai είναι εφαρμόσιμα σε πιο σύνθετους οργανισμούς ή στον χαοτικό πραγματικό κόσμο, όπου τόσο ο οργανισμός όσο και το περιβάλλον του αλλάζουν συνεχώς. «Στον πραγματικό κόσμο, οι οργανισμοί είναι καλοί σε διαφορετικά πράγματα, διαμερίζοντας το περιβάλλον», είπε ο Travisano. Προβλέπει ότι οι πληθυσμοί μέσα σε αυτές τις οικολογικές θέσεις θα εξακολουθούν να υπόκεινται σε φθίνουσες αποδόσεις, ιδιαίτερα καθώς υφίστανται προσαρμογή. Αλλά παραμένει ένα ανοιχτό ερώτημα, είπε.
Ωστόσο, υπάρχουν υπαινιγμοί ότι οι σύνθετοι οργανισμοί μπορούν επίσης να εξελιχθούν γρήγορα για να γίνουν πιο όμοιοι. Μια μελέτη που δημοσιεύθηκε τον Μάιο ανέλυσε ομάδες γενετικά διακριτών μυγών φρούτων καθώς προσαρμόστηκαν σε ένα νέο περιβάλλον. Παρά το γεγονός ότι ταξίδεψαν σε διαφορετικές εξελικτικές τροχιές, οι ομάδες ανέπτυξαν ομοιότητες σε χαρακτηριστικά όπως η γονιμότητα και το μέγεθος του σώματος μετά από μόλις 22 γενιές. «Πιστεύω ότι πολλοί άνθρωποι σκέφτονται ένα γονίδιο για ένα χαρακτηριστικό, έναν ντετερμινιστικό τρόπο εξέλιξης για την επίλυση προβλημάτων», είπε ο David Reznick, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Riverside. «Αυτό λέει ότι δεν είναι αλήθεια. μπορείτε να εξελιχθείτε ώστε να ταιριάζετε καλύτερα στο περιβάλλον με πολλούς τρόπους.»
