A Conductor of Evolution’s Stle Symphony

Στις αρχές της καριέρας του, ο διακεκριμένος βιολόγος Richard Lenski σκέφτηκε ότι θα μπορούσε να αναγκαστεί να εξελιχθεί. Αφού ακυρώθηκε η υποτροφία του για μεταδιδακτορική έρευνα, ο Λένσκι άρχισε να εξετάζει διστακτικά άλλες επιλογές. Με ένα παιδί και ένα δεύτερο καθ' οδόν, ο Lenski παρακολούθησε ένα σεμινάριο σχετικά με τη χρήση συγκεκριμένων τύπων δεδομένων σε ένα αναλογιστικό πλαίσιο — τον ίδιο τύπο δεδομένων με τον οποίο είχε εργαστεί ως μεταπτυχιακός φοιτητής. Ο Λένσκι μάζεψε μια επαγγελματική κάρτα από τον ομιλητή, πιστεύοντας ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει το υπόβαθρό του σε μια νέα καριέρα.

"Αλλά τότε, όπως συμβαίνει μερικές φορές - και ήμουν πολύ τυχερός - η παλίρροια άλλαξε", είπε ο Lenski στο Quanta Magazine στο πολυώροφο γραφείο του στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν. "Πήραμε ανανέωση της επιχορήγησης και αμέσως μετά, άρχισα να λαμβάνω προσφορές καθηγητών."

Ο Λένσκι, καθηγητής μικροβιακής οικολογίας στο Μίσιγκαν, είναι περισσότερο γνωστός για την εργασία του σε αυτό που είναι γνωστό ως πείραμα μακροπρόθεσμης εξέλιξης. Το έργο, που ξεκίνησε το 1988, εξετάζει την εξέλιξη στη δράση. Αυτός και τα μέλη του εργαστηρίου του έχουν αυξήσει 12 πληθυσμούς E. coli συνεχώς για περισσότερες από 65.000 γενιές, παρακολουθώντας την ανάπτυξη και τις μεταλλάξεις των 12 ξεχωριστών στελεχών.

Τα αποτελέσματα έχουν συγκεντρώσει την προσοχή και τις επαίνους — συμπεριλαμβανομένης της επιχορήγησης «ιδιοφυΐας» του MacArthur, την οποία έλαβε ο Lenski το 1996 — τόσο για το τεράστιο εγχείρημα όσο και για τα ενδιαφέροντα ευρήματα που απέδωσε η μελέτη. Πιο συγκεκριμένα, το 2003, ο Lenski και οι συνεργάτες του συνειδητοποίησαν ότι ένα στέλεχος του E. coli είχε εξελίξει την ικανότητα να χρησιμοποιεί κιτρικό ως πηγή ενέργειας, κάτι που κανένας προηγούμενος πληθυσμός E. coli μπόρεσε να το κάνει.

Ο Lenski ενδιαφέρεται επίσης για ψηφιακούς οργανισμούς, προγράμματα υπολογιστών που έχουν σχεδιαστεί για να μιμούνται τη διαδικασία της εξέλιξης. Συνέβαλε καθοριστικά στην ώθηση για το άνοιγμα του Beacon Center στο Μίσιγκαν, το οποίο δίνει σε επιστήμονες υπολογιστών και εξελικτικούς βιολόγους την ευκαιρία να δημιουργήσουν μοναδικές συνεργασίες.

Περιοδικό Quanta συναντήθηκε με τον Λένσκι στο γραφείο του για να μιλήσει για τα δικά του εξελισσόμενα ενδιαφέροντα στον τομέα της εξελικτικής βιολογίας — και για τη στιγμή που σχεδόν έβγαλε την πρίζα από το μακροπρόθεσμο πείραμα. Ακολουθεί μια επεξεργασμένη και συνοπτική έκδοση της συνομιλίας.

QUANTA MAGAZINE:Τι είδους ερωτήσεις ήταν οι κινητήριες δυνάμεις στην καριέρα σας;

RICHARD LENSKI:Μια ερώτηση που πάντα με κέντριζε το ενδιαφέρον είναι σχετικά με την αναπαραγωγιμότητα ή την επαναληψιμότητα της εξέλιξης. Ο Στίβεν Τζέι Γκουλντ, ο παλαιοντολόγος και ιστορικός της επιστήμης, έθεσε το εξής ερώτημα:Αν μπορούσαμε να τυλίξουμε την ταινία της ζωής στη Γη, πόσο παρόμοια ή ανόμοια θα ήταν αν παρακολουθούσαμε ξανά την όλη διαδικασία; Το μακροπρόθεσμο πείραμα που κάνουμε μας επέτρεψε να συγκεντρώσουμε πολλά δεδομένα σχετικά με αυτήν την ερώτηση.

Μπορεί λοιπόν η εξέλιξη να επαναληφθεί;

Ναι και ΟΧΙ! Μερικές φορές λέω στους ανθρώπους ότι ήταν μια συναρπαστική ερώτηση που προκαλεί κίνητρο, αλλά σε ένα επίπεδο, είναι μια τρομερή ερώτηση, και μια ερώτηση που δεν θα έλεγες ποτέ σε έναν μεταπτυχιακό φοιτητή να την ακολουθήσει. Αυτό συμβαίνει επειδή είναι πολύ ανοιχτό και δεν έχει μια πολύ σαφή απάντηση.

Από το μακροπρόθεσμο πείραμα, έχουμε δει μερικά πραγματικά όμορφα παραδείγματα πραγμάτων που είναι αξιοσημείωτα αναπαραγώγιμα, και από την άλλη πλευρά κάποια άλλα τρελά πράγματα όπου ένας πληθυσμός φεύγει και κάνει πράγματα που είναι εντελώς διαφορετικά από τους άλλους 11 πληθυσμούς στο πείραμα.

Πώς σας ήρθε για πρώτη φορά η ιδέα για το μακροπρόθεσμο πείραμα;

Δούλευα ήδη για αρκετά χρόνια πάνω στην πειραματική εξέλιξη με βακτήρια, καθώς και με ιούς που μολύνουν βακτήρια. Αυτά ήταν συναρπαστικά, αλλά όλα έγιναν τόσο πολύπλοκα τόσο γρήγορα που είπα:«Ας μειώσουμε την εξέλιξη μέχρι τα οστά της». Συγκεκριμένα, ήθελα να ασχοληθώ με αυτό το ζήτημα της αναπαραγωγιμότητας ή της επαναληψιμότητας της εξέλιξης. Και αν ήθελα να μπορώ να κοιτάξω την αναπαραγωγιμότητα της εξέλιξης, ήθελα ένα σύστημα που να ήταν πολύ απλό. Όταν ξεκίνησα το μακροπρόθεσμο πείραμα, ο αρχικός μου στόχος ήταν να το ονόμαζα μακροπρόθεσμο πείραμα όταν φτάσω σε 2.000 γενιές.

Πόσο καιρό σας πήρε;

Η πραγματική διεξαγωγή του πειράματος ήταν περίπου 10 ή 11 μήνες, αλλά μέχρι να συλλέξουμε δεδομένα, να τα γράψουμε και να δημοσιεύσουμε την εργασία, ήταν περίπου δυόμισι χρόνια. Μέχρι τότε το πείραμα είχε ήδη περάσει 5.000 γενιές και συνειδητοποίησα ότι έπρεπε να το συνεχίσουμε.

Περιμένατε ότι το πείραμα θα συνεχιστεί για όσο διάστημα έχει;

Όχι. Όχι, δεν το έκανα. Υπήρξε μια πενταετία, ίσως από τα τέλη της δεκαετίας του '90 έως τις αρχές της δεκαετίας του 2000, όπου σκέφτηκα να σταματήσω πιθανώς το πείραμα. Αυτό έγινε για μερικούς διαφορετικούς λόγους. Το ένα ήταν ότι είχα κολλήσει σε αυτόν τον άλλο τρόπο μελέτης της εξέλιξης, που περιλάμβανε την εξέταση της εξέλιξης σε αυτοαναπαραγόμενα προγράμματα υπολογιστών, κάτι που ήταν απολύτως συναρπαστικό. Ξαφνικά είδα αυτόν τον ακόμα πιο λαμπερό τρόπο μελέτης της εξέλιξης, όπου θα μπορούσε να πάει ακόμα περισσότερες γενιές και να κάνει ακόμα περισσότερα, φαινομενικά πιο τακτοποιημένα, πειράματα.

Πώς έχουν αλλάξει οι απόψεις σας για τη μελέτη της εξέλιξης μέσω αυτών των ψηφιακών οργανισμών με την πάροδο του χρόνου;

Είχα αυτό το είδος «αγάπης κουταβιού» όταν το έμαθα για πρώτη φορά. Στην αρχή, ήταν τόσο εξαιρετικά ενδιαφέρον και συναρπαστικό να μπορείς να παρακολουθείς προγράμματα που αναπαράγονται μόνοι τους, να μπορούν να αλλάζουν το περιβάλλον τους και να παρακολουθούν την εξέλιξη.

Ένα από τα πραγματικά συναρπαστικά πράγματα σχετικά με την ψηφιακή εξέλιξη είναι ότι δείχνει ότι θεωρούμε ότι η εξέλιξη είναι κάτι με αίμα και έντερα, DNA και RNA και πρωτεΐνες. Αλλά η ιδέα της εξέλιξης καταλήγει πραγματικά σε μερικές πολύ βασικές ιδέες κληρονομικότητας, αναπαραγωγής και ανταγωνισμού. Ο φιλόσοφος της επιστήμης Ντάνιελ Ντένετ έχει τονίσει ότι βλέπουμε την εξέλιξη ως αυτή την εκδήλωση, αυτή τη μορφή βιολογικής ζωής, αλλά οι αρχές της είναι πολύ πιο γενικές από αυτό.

Θα έλεγα ότι οι τελευταίες κατευθύνσεις έρευνάς μου ήταν κυρίως μέσω της συνομιλίας με υπερέξυπνους συναδέλφους και της υπηρέτησης σε επιτροπές μεταπτυχιακών φοιτητών που χρησιμοποιούν αυτά τα συστήματα. Ασχολούμαι λιγότερο με το σχεδιασμό πειραμάτων ή τη διατύπωση συγκεκριμένων υποθέσεων, επειδή αυτό το πεδίο κινείται εξαιρετικά γρήγορα. Νιώθω ότι ήμουν πολύ τυχερός που μάζεψα μερικά από τα χαμηλά φρούτα, αλλά τώρα νιώθω ότι είμαι εκεί ως βιολόγος, ίσως επικρίνω υποθέσεις, προτείνοντας ελέγχους που θα μπορούσαν να γίνουν σε ορισμένα πειράματα.

Έτσι το ενδιαφέρον σας για τους ψηφιακούς οργανισμούς ήταν ένας λόγος που σκεφτήκατε να κλείσετε το μακροπρόθεσμο πείραμα. Ποιο ήταν το άλλο;

Σε εκείνο το σημείο, το άλλο πράγμα που ήταν λίγο απογοητευτικό για τις μακροπρόθεσμες γραμμές ήταν ότι ο ρυθμός με τον οποίο άλλαζαν τα βακτήρια επιβραδύνθηκε. Όπως το σκέφτηκα, ήταν σχεδόν σαν να είχε σταματήσει η εξέλιξη. Νόμιζα ότι αυτό ήταν πολύ απλό περιβάλλον και δεν είχαν να κάνουν πολλά περισσότερα.

Έτσι αυτά τα δύο διαφορετικά πράγματα με έκαναν να σκεφτώ να σταματήσω το πείραμα. Και μίλησα με μερικούς συναδέλφους και βασικά μου είπαν:Δεν μπορείς να το κάνεις αυτό. Δεν πρέπει να το κάνετε αυτό. Παρεμπιπτόντως, μίλησα με τη σύζυγό μου, τη Μαντλίν, όταν με ενδιέφερε πολύ αυτούς τους ψηφιακούς οργανισμούς – στην πραγματικότητα ήμασταν σε σαββατοκύριακο στη Γαλλία εκείνη την εποχή – και είπα:«Ίσως θα έπρεπε να τηλεφωνήσω στο σπίτι και να κλείσω το εργαστήριο. ” Και είπε, "Δεν νομίζω ότι πρέπει να το κάνεις αυτό."

Γιατί η σύζυγός σας και οι συνάδελφοί σας είχαν αυτή την αντίδραση;

Το πείραμα ήταν ήδη αρκετά επικερδές από επιστημονική άποψη, παρέχοντας πολύ πλούσια δεδομένα σχετικά με τη δυναμική της εξελικτικής αλλαγής. Ήταν λίγο πολύ μοναδικό στα χρονοδιαγράμματα που εξέταζε. Οπότε νομίζω ότι ήταν πολύ καλή συμβουλή που μου έδωσαν. Δεν ξέρω αν θα μπορούσα ποτέ να έχω βγάλει την πρίζα μόνος μου. Σίγουρα ήμουν λίγο απογοητευμένος και το σκεφτόμουν — αλλά ούτως ή άλλως, ο κόσμος είπε όχι!

Logan Zillmer για το Quanta Magazine

Βίντεο: Ο Λένσκι συζητά πώς έχει εκπλαγεί από την εξέλιξη.

Περάστε το οροπέδιο όπου είπατε ότι ένιωθες ότι οι οργανισμοί δεν εξελίσσονταν τόσο πολύ;

Αυτό ήταν στην πραγματικότητα ένα από τα πολύ ωραία ευρήματα από το πείραμα. Όταν ξεκίνησα το μακροπρόθεσμο πείραμα, σκέφτηκα ότι τα βακτήρια θα έφταναν γρήγορα σε κάποιο όριο στην ανάπτυξή τους. Μόλις πριν από λίγα χρόνια αρχίσαμε να συνειδητοποιούμε ότι τα βακτήρια θα ήταν πάντα σε θέση να νικήσουν οτιδήποτε είχαμε συμπεράνει στο παρελθόν σχετικά με το σκληρό τους όριο. Συνειδητοποίησα ότι ουσιαστικά δεν το σκεφτόμαστε με τον σωστό τρόπο. Ακόμη και στο πιο απλό περιβάλλον, υπάρχει πάντα η δυνατότητα για τους οργανισμούς να κάνουν οποιοδήποτε βήμα στο μεταβολισμό τους ή οποιοδήποτε βήμα στη βιοχημεία τους, λίγο καλύτερα. Και η φυσική επιλογή, αν και δεν θα την κάνει σωστά σε κανένα δεδομένο βήμα, μακροπρόθεσμα θα ευνοεί πάντα αυτές τις ανεπαίσθητες βελτιώσεις.

Μια σειρά βακτηρίων εξέλιξε την ικανότητα χρήσης κιτρικού ως πηγή τροφής. Αυτό συνέβη πριν ή αφού σκεφτόσασταν να τερματίσετε το πείραμα;

Αυτό ήταν ένα από τα πράγματα που με έκαναν να συνειδητοποιήσω ότι δεν θα κλείσουμε το πείραμα. Το 2003, μια γενεαλογία εξέλιξε την ικανότητα χρήσης κιτρικού. Αυτό άλλαξε το παιχνίδι:συνειδητοποιώντας ότι ακόμη και σε αυτό το εξαιρετικά απλό περιβάλλον, υπήρχαν μερικά σημαντικά πράγματα για να εξελιχθούν και να καταλάβουν τα βακτήρια.

Μου αρέσει να πω ότι τα βακτήρια τρώνε δείπνο κάθε βράδυ χωρίς να συνειδητοποιούν ότι υπήρχε αυτό το ωραίο, λεμονάτο επιδόρπιο ακριβώς στη γωνία. Και μέχρι στιγμής, ακόμη και μετά από 65.000 γενιές, μόνο ένας από τους 12 πληθυσμούς έχει καταλάβει πώς να καταναλώσει αυτό το κιτρικό.

Αναφέρατε επίσης ότι ορισμένοι πληθυσμοί στο πείραμά σας έχουν αναπτύξει μεταλλάξεις με μεγαλύτερο ρυθμό. Πώς μοιάζει αυτό;

Μετά από περισσότερες από 60.000 γενιές, έξι από τους 12 πληθυσμούς έχουν εξελιχθεί σε υπερμεταβλητές. Έχουν εξελίξει αλλαγές στην επιδιόρθωση του DNA τους και στις μεταβολικές διεργασίες του DNA που τους αναγκάζουν να έχουν νέες μεταλλάξεις κάπου της τάξης του 100 φορές από τον ρυθμό με τον οποίο έκανε ο πρόγονος [στην αρχή του πειράματος].

Είναι μια πολύ ενδιαφέρουσα διαδικασία, γιατί είναι και καλή και κακή από την οπτική γωνία των βακτηρίων. Είναι κακό γιατί οι περισσότερες μεταλλάξεις είναι επιβλαβείς ή στην καλύτερη περίπτωση ουδέτερες. Μόνο το σπάνιο ψήγμα στο ορυχείο είναι μια ευεργετική μετάλλαξη. Τα βακτήρια που έχουν το υψηλότερο ποσοστό μετάλλαξης είναι λίγο πιο πιθανό να ανακαλύψουν ένα από αυτά τα ψήγματα. Αλλά από την άλλη πλευρά, είναι επίσης πιο πιθανό να δημιουργήσουν παιδιά και εγγόνια με επιβλαβείς μεταλλάξεις.

Ήταν υπερμεταβλητή η σειρά που μπορούσε να καταναλώσει κιτρικό μέρος της ομάδας που είχε εξελιχθεί;

Αυτή είναι μια μεγάλη ερώτηση. Η σειρά που εξέλιξε την ικανότητα χρήσης κιτρικού δεν είχε αυξημένο ποσοστό μετάλλαξης. Είναι ενδιαφέρον ότι έγινε ένα από αυτά με υψηλότερο ποσοστό μετάλλαξης, αλλά μόνο αφού εξέλιξε την ικανότητα χρήσης κιτρικού. Είναι σύμφωνο με το όφελος του υψηλότερου ποσοστού μετάλλαξης - της πρόσθετης ικανότητας για εξερεύνηση. Τα βακτήρια ήταν στην πραγματικότητα αρκετά φτωχά στη χρήση κιτρικού άλατος στην αρχή, οπότε υπήρχαν πολλές ευκαιρίες μετά εξέλιξαν την ικανότητα να χρησιμοποιούν κιτρικό άλας για να βελτιώσουν αυτή την ικανότητα.

Πώς σας βοηθά το μακροπρόθεσμο πείραμα να κατανοήσετε την εξέλιξη της ζωής σε μεγαλύτερη κλίμακα;

Για μένα, ένα από τα μαθήματα του μακροχρόνιου πειράματος ήταν το πόσο πλούσια και ενδιαφέρουσα μπορεί να είναι η ζωή, ακόμη και στο πιο βαρετό και απλό περιβάλλον. Το γεγονός ότι η εξέλιξη μπορεί να δημιουργήσει αυτή την ποικιλομορφία και να ανακαλύψει πόρτες που μένουν ελαφρώς μισάνοιχτες που μπορεί να τις περάσει, μιλάει για την τρομερή εφευρετικότητα της εξέλιξης. Και αν μπορεί να είναι τόσο εφευρετικό και δημιουργικό σε αυτή τη μικροσκοπική χωρική και χρονική κλίμακα, και σε ένα τόσο βαρετό περιβάλλον, απλώς μου δημιουργεί περισσότερο δέος, όταν σκέφτομαι πόσο πιο αξιοσημείωτο είναι στη φύση.

Τι σας εξέπληξε περισσότερο σε αυτό το έργο;

Ότι συνεχίζεται ακόμα μετά από τόσα χρόνια. Ένας από τους στόχους μου στη ζωή είναι να βεβαιωθώ ότι το πείραμα θα συνεχιστεί. Θα ήθελα να συγκεντρώσω ένα δώρο για να συνεχιστεί το πείραμα στο διηνεκές.

Ποια είναι η ελπίδα σας για το μακροπρόθεσμο πείραμα στο μέλλον;

Η ελπίδα μου για το έργο είναι ότι θα επιφέρει πολλές ακόμη εκπλήξεις. Για παράδειγμα, δύο γενεαλογίες συνυπήρξαν για 60.000 γενιές σε έναν από τους πληθυσμούς, όπου η μία τρέφεται από το προϊόν που παράγει η άλλη. Νομίζω ότι είναι συναρπαστικό να αναρωτιέμαι αν, κάποια στιγμή, αυτό μπορεί να μετατραπεί σε κάτι περισσότερο σαν αλληλεπίδραση αρπακτικού-θηράματος. Σίγουρα δεν είναι έξω από τη σφαίρα των δυνατοτήτων. Αν θα συμβεί ποτέ, δεν ξέρω.

Ήταν επίσης τεράστια χαρά να συνεργάζομαι με φοιτητές, μεταδιδάκτορες και συνεργάτες και να τους βλέπω να αναπτύσσονται και να αναπτύσσονται. Αυτή είναι πραγματικά η μεγαλύτερη χαρά για μένα που είμαι επιστήμονας. Μου αρέσει να λέω στους ανθρώπους ότι είμαι διγαμιστής. Έχω δύο οικογένειες:έχω την εργαστηριακή μου οικογένεια και τη βιολογική μου οικογένεια, και είναι και οι δύο απίστευτα υπέροχες.

Διόρθωση:Αυτή η ανάρτηση αναθεωρήθηκε στις 3 Νοεμβρίου για να αντικατοπτρίζει ότι τα βακτήρια που χρησιμοποιούν κιτρικό εμφανίστηκαν το 2003 και όχι το 2008. Το έγγραφο που περιγράφει αυτήν την αλλαγή δημοσιεύτηκε το 2008.