Dus dit is iets dat zich onder het voor de hand liggende niveau afspeelt, toch? Je merkt het niet per se als je naar een individu of een populatie kijkt, maar misschien merk je het wel als je naar generatie na generatie kijkt.

Ja. Om deze robuustheid waar te nemen, moet je onder de oppervlakte kijken. Wij en anderen hebben dit nu in veel verschillende systemen ontdekt. Het lijkt iets vrij algemeens te zijn dat van toepassing is op meerdere organisatieniveaus. Ik ben gefascineerd door principes die niet alleen van toepassing zijn op één organisme of één soort systeem, maar die op meerdere organisatieniveaus kunnen werken. En dit is een kandidaat.

Wat heb je gedaan om deze ideeën te blijven onderzoeken toen je voor het eerst je lab opzette aan de Universiteit van Zürich?

Hier is een van onze eerste experimenten: Iemand had ontdekt dat toen de bacterie Escherichia coli het menselijke darmkanaal binnenkomt, bevat de omgeving zuurstof. Maar naarmate het dieper in de darm komt, begint de omgeving zuurstof te missen. E. coli moet verschillende genen tot expressie brengen, afhankelijk van of er zuurstof is of niet.

Het blijkt E. coli heeft deze anticiperende reactie ontwikkeld waarbij het, zodra het het maagdarmkanaal binnenkomt, de benodigde genen begint aan te zetten voordat het de anoxische zone bereikt. Zijn vooruitziende blik is misschien geëvolueerd uit de duizenden miljoenen keren dat het door de darmkanalen is gegaan: als het warm wordt of de pH daalt, of wat het ook is, dan moet het deze genen inschakelen, want binnenkort zal het opraken van zuurstof.

We wilden weten of je zoiets in het laboratorium zou kunnen ontwikkelen. Dus fietsten we gist tussen verschillende stressvolle omgevingen. Als gist eenmaal meerdere keren door de cyclus is gegaan, zouden ze dan de genen beginnen aan te zetten voor het omgaan met oxidatieve stress [van te veel reactieve zuurstof] voordat de oxidatieve stress toesloeg? We hebben enig bewijs gevonden dat ze dat deden.

Het was het soort experiment waar ik graag aan werk, dat in principe heel eenvoudig is en dat gaat over een fundamenteel idee - in dit geval kunnen zelfs heel eenvoudige organismen anticiperen op de toekomst?

Zou je zeggen dat de ideeën in je eerste boek, Aankomst van de sterkste (Penguin Random House, 2015) werden getrokken uit wat je in het lab had gedaan?

Deze experimenten hebben zeker iets opgeleverd van wat ik in het boek heb geschreven. Maar het waren niet echt de experimenten die het boek dreef. Het was echt dit fundamentele idee dat we evolutie kunnen zien als de verkenning van een ruimte van genotypen. We kunnen het aanpassingsvermogen van organismen bestuderen door te begrijpen hoe de ruimte is georganiseerd. Staan alle genotypen met één fenotype in een hoek van die ruimte? Of zijn ze een beetje verspreid door de ruimte? Ik dacht dat het een belangrijk idee was, en niemand had erover geschreven.

Het idee is dus dat verschillende versies van genen de evolutionaire geschiktheid van organismen kunnen beïnvloeden, en dit kan worden uitgezet in termen van een fitness landschap. Kun je uitleggen wat een fitnesslandschap is?

A fitness landschap is een analoog van een fysiek landschap waar elke locatie overeenkomt met een genotype - een DNA-sequentie, misschien voor slechts een enkel gen. En de hoogte op die locatie komt overeen met een bepaalde mate van kwaliteit, bijvoorbeeld conditie of het vermogen van een enzym om een ​​reactie te katalyseren of iets anders belangrijks voor het organisme te doen.

Dit is een fundamenteel concept in de evolutiebiologie. Maar er was bijna 80 jaar lang alleen theorie op dat gebied. Er zijn duizenden artikelen gepubliceerd over hoe deze landschappen eruit zouden kunnen zien, maar er is heel, heel weinig experimenteel werk op dat gebied.

Dat begon begin jaren 2000 een beetje te veranderen. Mensen begonnen verzamelingen genotypen te maken en bestudeerden hun fenotypes. Deze eerste landschappen omvatten slechts ongeveer 20 tot 40 genotypen. Klein in vergelijking met deze astronomische aantallen genotypen die we in ons genoom hebben. En het was fascinerend, maar ik had het gevoel dat we het waarschijnlijk beter zouden kunnen doen - dat we veel meer grote landschappen zouden kunnen creëren en bestuderen, en misschien de grote vraag kunnen beantwoorden: hoe evoluerende populaties de hoogste toppen in zo'n landschap vinden en zich het best aanpassen aan een bepaalde omgeving?

Waarom is dat een moeilijke vraag?

Als een landschap glad is, wat een Mount Fuji-landschap wordt genoemd, is er een enkele piek en zijn alle hellingen die naar die top gaan perfect glad. In een evoluerende populatie zal selectie die populatie altijd bergopwaarts drijven. Het zou die hoogste top gemakkelijk kunnen vinden.

Als een landschap echter ruig is en meerdere toppen heeft, heb je een probleem. Misschien zijn de meeste van deze pieken laag en komen ze overeen met genotypen met een lage conditie die slecht zijn aangepast aan hun omgeving. Omdat natuurlijke selectie populaties alleen maar naar een grotere fitheid zal drijven, kun je als populatie niet verder gaan als je eenmaal vastzit op een lage piek. Je kunt de vallei niet doorkruisen tussen de top waar je op staat en de eerstvolgende hogere top. Sommige mechanismen kunnen dat doen, maar ze zijn alleen van toepassing op bijvoorbeeld zeer grote populaties of populaties met zeer, zeer hoge mutatiesnelheden.

In de honderden of duizenden artikelen over theoretische landschapsanalyse werd dat probleem al vroeg onderkend. Mensen waren bang dat echte landschappen erg ruig zouden kunnen zijn. Als dat zo is, dan zou de evolutie nooit de best aangepaste organismen kunnen vinden. Misschien is alle diversiteit van het leven daar dan iets dat veel minder goed is aangepast dan het zou kunnen zijn. Dus dit werd een heel belangrijk probleem.

Ik raakte echt geïnteresseerd in het probleem toen duidelijk werd dat het mogelijk zou zijn om duizenden genotypen te genereren om het te bestuderen met behulp van CRISPR-Cas. We hebben binnenkort werk om deze vraag te onderzoeken, maar het is nog in behandeling bij tijdschriften, dus ik kan niet in details treden.

Vertel me over het werk in je nieuwe boek.

Er is een goed bestudeerd fenomeen in zowel de kunsten als de wetenschappen dat veel zeer creatieve mensen tijdens hun leven veel frustratie en gebrek aan succes ervaren, maar later erg beroemd worden. Er is zelfs een term voor die wordt gebruikt om wetenschappelijke publicaties te beschrijven die niet worden herkend wanneer ze voor het eerst uitkomen: ze worden 'slapende schoonheden' genoemd.

Nu, ik bestudeer evolutie, en er is een enigszins analoog patroon in evolutie. Er zijn veel levensvormen geweest die bij hun ontstaan ​​volgens geen enkele maatstaf erg succesvol waren. Ze straalden niet uit in honderden soorten en ze bedekten geen grote delen van het aardoppervlak. Maar wacht lang genoeg, en ze werden zeer succesvol.

Het beste voorbeeld zijn grassen. Tegenwoordig zijn grassen een van de meest succesvolle families van organismen op aarde. Ze beslaan enorme hoeveelheden grondgebied op de meeste continenten en hebben een enorme diversiteit ontwikkeld, met ongeveer 10,000 zeer verschillende soorten. Ze variëren in grootte van de kleine plukjes Antarctisch gras tot enorme bamboebossen in Azië. Grassen zijn oud. We vinden graspollen in versteende dinosaurusmest van 65 miljoen jaar geleden. Maar wat vrij opmerkelijk is, is dat toen grassen ontstonden en gedurende vele miljoenen jaren daarna, ze gewoon hun brood verdienden aan de rand van de biosfeer. Om dat te veranderen, moesten ze letterlijk 40 miljoen jaar wachten op hun plekje in de zon.

We zien vergelijkbare patronen in veel organismen. Zoogdieren ontstonden meer dan 100 miljoen jaar voordat ze voor het eerst succesvol werden. Evolutie experimenteerde met verschillende levensvormen en manieren van leven van zoogdieren, zoals vliegen als vleermuizen of waterleven als otters, of boomleven, enzovoort. Veel hiervan zijn ontstaan ​​en zijn weer uitgestorven. Ze waren zo onsuccesvol dat ze eigenlijk door evolutie opnieuw moesten worden uitgevonden. Dat gebeurde meerdere keren in sommige zoogdierstammen voordat zoogdieren echt succesvol werden.

Analoge verschijnselen zien we bij bijen en andere insecten. Zoveel, veel verschillende levensvormen waren in het begin niet erg succesvol en werden toen succesvol.

Ik ben erg geïnteresseerd in principes die gelden voor al het leven in de hele wereld, ongeacht of het menselijk leven is of iets dat 4 miljard jaar geleden is ontstaan. Dat was de belangrijkste drijfveer om het boek te schrijven. Het boek gaat eigenlijk over al deze sluimerende innovaties.

Het voelt alsof er een verband bestaat tussen dit soort vertraagde variatie en de experimenten die je eerder deed.

Toen we dit soort fenomenen in het lab ontdekten, raakte ik erin geïnteresseerd. Wij namen E. coli en stelde ze bloot aan een omgeving die veel van een antibioticum bevat, ampicilline genaamd. De meesten van hen zullen sterven in de aanwezigheid van dat antibioticum. Maar bacteriën zijn extreem snel in het ontwikkelen van antibioticaresistentie, dus binnen een paar weken hebben ze absoluut geen probleem om hoge doseringen ervan te overleven.

We waren geïnteresseerd in andere eigenschappen die deze bacteriën kregen als bijproduct van dat evolutieproces. Om erachter te komen wat ze zouden kunnen zijn, hebben we de bacteriën blootgesteld aan honderden andere giftige omgevingen die andere antibiotica of toxines bevatten, zoals zware metalen of oplosmiddelen. We wisten uit eerder werk dat bacteriën in veel van deze omgevingen niet of zeer slecht konden overleven.

Het belangrijkste om te beseffen is dat deze bacteriën vóór onze experimenten geen van die omgevingen waren tegengekomen. Maar we ontdekten dat de bacteriën in ongeveer 20 van deze omgevingen redelijk goed konden overleven. Het was opmerkelijk dat je als bijproduct van evolutie enerzijds iets heel anders krijgt. En niet slechts één ding, maar meerdere levensvatbaarheidskenmerken.

Wat hoop je in de toekomst te doen met betrekking tot dit idee?

Ik ben net benaderd door een mariene microbioloog die een soortgelijk experiment in het laboratorium met plastic wil doen. Ze is een van de weinige mensen die de Great Pacific Garbage Patch heeft verkend en de microbiële kolonies op de kunststoffen. Ze is geïnteresseerd in hoe bacteriën die evolueren om op plastic te groeien, andere vaardigheden kunnen ontwikkelen als bijproduct. We hadden een paper over een verwant onderwerp in NATUUR in 2012. We hebben theoretisch aangetoond dat bacteriën die kunnen overleven op één bron van voedingsstoffen vaak kunnen overleven op tientallen andere bronnen die ze nog nooit in het wild zijn tegengekomen.

Er zijn veel verschillende nieuwe onderzoeksrichtingen waar je van daaruit verder kunt gaan. Wat ik hoop is dat mensen in de biologie meer aandacht gaan besteden aan het vermogen van organismen om wat ik latente eigenschappen noem te ontwikkelen.

Als we een eigenschap zien die is geëvolueerd in een organisme, hebben we de reflex om te denken dat het een product is van natuurlijke selectie, toch? Dat de eigenschap op een gegeven moment nuttig was voor het voortbestaan ​​van het organisme, en daarom zien we het vandaag. Maar zoals dit soort experimenten laten zien, is dat helemaal niet per se het geval.

Het had selectie voor iets heel anders kunnen zijn.

Precies. Het zou zomaar een bijproduct kunnen zijn. En dus is het waarschijnlijk niet verstandig om altijd een adaptistisch of selectief standpunt in te nemen. Er kunnen veel eigenschappen zijn die zonder goede reden bestaan.

We kennen ook voorbeelden uit het wild. Er zijn ondergrondse grotten die al miljoenen jaren volledig zijn afgesloten van de buitenwereld. En toen mensen die grotten binnengingen en monsters namen van bacteriën die nog nooit in contact waren geweest met de menselijke beschaving, ontdekten ze dat deze bacteriën resistent waren tegen meerdere antibiotica. En sommige van deze antibiotica zijn geen natuurlijke moleculen - het zijn moleculen die alleen in het laboratorium voorkomen.

Het lijkt bijna alsof deze bacteriën helderziend zijn, weet je? Alsof ze verwachtten dat ze op een gegeven moment resistent zouden moeten worden tegen antibiotica als de mensheid kwam, toch? Maar er is een heel alledaagse verklaring die te maken heeft met deze latente soorten eigenschappen die we in experimenten in het laboratorium hebben geïdentificeerd. Dus deze eigenschappen bestaan ​​echt in de natuur. Het zijn niet alleen artefacten van experimenten.