Entrevista a Andreas Wagner

L’Institut Cavanilles de Biodiversitat i Biologia Evolutiva acull cada any el Memorial Pelegrí Casanova, una conferència anual en la qual se celebra la llarga tradició evolutiva de la Universitat de València convidant biòlegs evolutius de talla mundial per a impartir una conferència plenària sobre temes a les fronteres del coneixement en ecologia i evolució. En 2022, el Memorial va comptar amb la presència del Dr. Andreas Wagner, catedràtic i director del Departament de Biologia Evolutiva i Estudis Ambientals de la Universitat de Zuric, a més de professor extern de l’Institut Santa Fe a Nou Mèxic (EUA) i membre electe de l’Organització Europea de Biologia Molecular (EMBO, per les seues sigles en anglès) i de l’Associació Estatunidenca per a l’Avanç de la Ciència (AAAS). El doctor Wagner és un referent en l’estudi de les innovacions evolutives, tema sobre el qual a més ha escrit llibres de divulgació que han rebut diversos reconeixements. La conferència va tenir lloc a la Sala Darwin del Campus de Burjassot i va ser tot un èxit. Abans de la seua esplèndida intervenció, vam tenir l’oportunitat de xerrar amb ell sobre com sorgeixen les innovacions durant l’evolució, la seua transcendència per a entendre la història de la vida en aquest planeta, i sobre els processos creatius en general.

Què és la robustesa i per què és important en l’evolució?

La robustesa és la capacitat d’un organisme de suportar mutacions, de sobreviure en presència d’aquestes, principalment en el seu ADN. És una propietat extraordinària, tenint en compte com en són, de complicats, els sistemes biològics. Fins i tot la cèl·lula microbiana més simple, com Escherichia coli, està composta de milers de milions de proteïnes que hi duen a terme complicades tasques bioquímiques. I no està clar a priori que un sistema tan complex no s’aterre com un castell de cartes si canvia algun dels seus components. No obstant això, aquests components canvien contínuament mitjançant mutacions de l’ADN que l’alteren a l’atzar. Per tant, el fet que aquests sistemes tan complexos puguen ser, fins a cert punt, robusts davant els canvis en l’ADN, és notable. I, per descomptat, no només són robustes les cèl·lules bacterianes simples: els organismes superiors com nosaltres, per exemple, són igual de robustos davant les mutacions.

Vostè ha dedicat bona part de la seua carrera, així com el seu llibre Arrival of the fittest (‘L’arribada del més apte’), a entendre les innovacions evolutives. Per què?

Personalment, em fascina el procés mitjançant el qual les coses noves arriben al món. Per a entendre aquesta fascinació, potser és útil retrocedir en el temps, abans de Darwin, quan la creació no es considerava un procés en marxa. El món havia sigut creat en algun moment i, des de llavors, no hi havia canviat gran cosa. Va ser el pensament darwinista, la biologia evolutiva darwinista, el que ens va donar la possibilitat de pensar en com es produeix la innovació, perquè va ser la primera línia de pensament que la va establir com una part important de l’estudi de la vida. Fins i tot en temps més moderns, no ha sigut evident que l’evolució pot comportar innovacions. Per exemple, només cal fixar-nos en el corrent de pensament del disseny intel·ligent proposat pels creacionistes. Els creacionistes argumenten que l’evolució pot canviar algunes coses aquí i allà, en els màrgens d’allò que ha sigut creat per un Déu intel·ligent, però defensen que, en general, no pot crear quelcom substancialment nou. Ara tenim moltes proves que això no és així, sinó que l’evolució pot efectivament crear i pot fer-ho fins i tot en escales evolutives molt, molt curtes. Per tant, crec que és important estudiar les innovacions, i qüestionar com i per què els sistemes biològics poden ser innovadors.

Vostè ha fet un treball pioner sobre les xarxes de genotips i com poden ajudar-nos a entendre de quina forma es produeix la innovació, com la vida troba noves solucions als problemes plantejats per l’entorn. Com explicaria vostè el concepte de xarxes de genotips i com poden aquestes ajudar-nos a entendre la innovació?

Necessitaré més d’un parell de frases per a fer-ho, ja que és un concepte prou abstracte. El millor és il·lustrar-ho amb un exemple del mateix sistema biològic, com ara les proteïnes. Sabem que les proteïnes són llargues cadenes d’aminoàcids on cadascun d’aquests pot tenir una identitat d’entre vint de diferents, i sabem que moltes proteïnes inclouen molts aminoàcids diferents. Per exemple, per a una proteïna de 100 aminoàcids de longitud, podem pensar en 20¹⁰⁰ possibles cadenes d’aminoàcids. Es tracta d’un espai de probabilitat enorme, amb moltíssimes proteïnes possibles, i totes les que sabem que realitzen alguna funció important en la vida han d’existir dins d’aquest espai general. Ara bé, una qüestió fonamental que podem plantejar és la següent: com s’organitzen en aquest espai les proteïnes amb funcions diferents, com la catàlisi de reaccions químiques, el transport de molècules, o la comunicació entre cèl·lules? Una possibilitat pot ser que totes les proteïnes que catalitzen unes reaccions químiques concretes estiguen organitzades en un racó específic d’aquest espai, les proteïnes que compleixen una funció distinta s’organitzen en un altre, i així successivament. Però quan s’ha analitzat aquest espai, s’ha trobat un tipus d’organització completament distint. El primer que es va descobrir és que per cada proteïna que fa una tasca en particular –per exemple, destruir un antibiòtic– existeixen moltes cadenes d’aminoàcids que poden fer el mateix treball. Així, hi ha moltes cadenes que poden acomplir la mateixa funció i, generalment, aquestes cadenes no estan situades únicament en una regió específica d’aquest espai mostral de possibles cadenes. Al contrari, estan molt repartides arreu de l’espai. I, a més, estan connectades a manera de xarxa. I amb això tornem a l’arrel de la pregunta. És a dir, si en una d’aquestes cadenes d’aminoàcids que pot destruir un antibiòtic, hi canvia tan sols un d’ells, és molt habitual que la cadena conserve la mateixa capacitat. Si anem un pas més enllà, i hi canvia un segon aminoàcid, encara hi haurà cadenes capaces de destruir l’antibiòtic. I si el procés continua, veurem que és possible passar per tota una possible col·lecció de cadenes d’aminoàcids fins a arribar a una cadena que és molt distinta de la primera, però que, tot i això, encara conserva la funció original de la proteïna. A això ens referim amb xarxes de genotips. És a dir, una xarxa de genotips, en aquest cas, de cadenes d’aminoàcids, que estan connectades a través de xicotetes mutacions que conserven l’habilitat d’una proteïna per a acomplir una determinada tasca.

Aleshores, podem considerar una població d’individus com un grup d’exploradors que recorre aquesta xarxa, tot mentre mantenen les mateixes funcions?

Exacte. En el nostre exemple, pot ser important per a una població de bacteris conservar l’habilitat d’una proteïna per a destruir un antibiòtic. Per tant, aquesta població de bacteris, a través de mutacions individuals en la seqüència d’ADN que codifica aquesta proteïna, seria capaç d’expandir-se en aquest espai al llarg de la xarxa de genotips, perquè els diferents genotips que confereixen aquesta funció estan interconnectats. Un altre fenomen sorprenent la importància del qual per a l’evolució hem aconseguit entendre és que diferents xarxes de genotips amb funcions distintes estan molt entrellaçades. Per exemple, una xarxa de genotips de proteïnes amb una determinada funció de resistència als antibiòtics i una xarxa de genotips de proteïnes amb el paper de transportar molècules poden superposar-se i formar un tapís o teixit complex. El més important és que això significa que, canviant només uns pocs aminoàcids, realitzant uns pocs canvis mutacionals, podem sovint passar d’una xarxa de genotips concreta a una altra completament distinta en què les proteïnes duen a terme treballs diferents. Aquestes dues propietats juntes –l’existència de xarxes de genotips i la interconnexió entre aquestes– facilitaran la innovació evolutiva. Encara que una població explora una xarxa de genotips mitjançant processos darwinians com les mutacions aleatòries i la selecció, alguns dels seus membres poden eixir d’aquesta xarxa i formar-ne una de nova. Moltes de les mutacions que provoquen aquest abandonament de la xarxa poden ser nocives o perjudicials, i la selecció natural s’encarregarà d’eliminar-les. Però algunes facilitaran una nova funció beneficiosa que els permetrà sobreviure.

Foto: Daniel García-Sala

Supose que aquesta és una de les raons per les quals la robustesa i la innovació estan íntimament relacionades.

Sí, aquesta és una de les connexions entre ambdues, perquè, en realitat, una xarxa de genotips es pot explorar de més d’una manera, amb múltiples enfocaments i metodologies diferents, i pot continuar conservant la capacitat de dur a terme la funció original. Això vol dir que la capacitat de realitzar una funció biològica té cert grau de robustesa davant les mutacions. Es conserva fins i tot quan aquestes es produeixen. I pot demostrar-se matemàticament que aquesta robustesa és realment un requisit essencial per a l’existència de les xarxes de genotips, perquè permet que els individus exploren noves regions de l’espai genotípic i descobrisquen noves funcions biològiques. Per tant, aquestes dues propietats, la robustesa i la capacitat d’innovació, estan íntimament relacionades entre si.

Fascinant. En el seu últim llibre, Life finds a way (‘La vida s’obre camí’), parla sobre la creativitat i la relació d’aquest concepte amb les innovacions evolutives. Hi detalla de quina manera la selecció natural pot haver permès a la vida ser més creativa. Ens ho pot explicar breument?

Per a comprendre-ho, hi ha una metàfora molt útil, la del paisatge adaptatiu, probablement una de les més definitòries de la biologia evolutiva. Un paisatge adaptatiu és una analogia de l’entorn físic que ens envolta, en què cada punt en l’espai es correspon amb un fenotip particular; per exemple, una proteïna, amb una cadena d’aminoàcids específica. En aquest paisatge, l’elevació de cada punt es correspon amb l’aptitud d’un sistema biològic que continga una proteïna amb aquest genotip. Les localitzacions o els genotips amb gran elevació són molt aptes, mentre que els de menor altura ho són menys. Ara bé, sabem, gràcies a l’anàlisi experimental de paisatges adaptatius específics, que aquests paisatges alberguen accidents geogràfics. És a dir, tenen múltiples pics i valls que poden suposar un gran problema per a l’evolució adaptativa. La raó és que la selecció natural només pot conduir una població cap al pujol més proper del paisatge, perquè només pot seleccionar genotips que n’augmenten l’aptitud. No obstant això, és possible que un paisatge adaptatiu continga molts pujols baixos i només uns pocs pics molt alts. Els pics alts representen els llocs on residiran els organismes o genotips més aptes, i és allà on es vol arribar en última instància. El problema és com podem arribar-hi quan estem en un pujol baix, si per a fer-ho és necessari travessar una o més valls de menor aptitud. La selecció natural no ens ho permet fer. Per definició, aquesta força evolutiva sempre es mou cap a dalt. Per tant, han d’existir altres mecanismes que permeten a una població aconseguir-ho. Hi ha múltiples mecanismes a aquest efecte. Un n’és debilitar la selecció. Bàsicament, es permet a una població descendir a una de les valls mitjançant dinàmiques evolutives que no estan dirigides completament per la selecció. De nou, això es pot assolir de diverses maneres, i una n’és reduir la mida de les poblacions. Per a poblacions menudes, coneixem una força evolutiva anomenada deriva genètica la importància de la qual rau en el fet que és molt diferent de la selecció natural. La deriva genètica provoca que una població vaja rondant aleatòriament pel paisatge. Gràcies a aquests moviments aleatoris, les poblacions poden creuar una vall entre dos pics d’adaptació més fàcilment.

«La formació científica no ha d’anar en detriment d’assignatures que potencien la creativitat»

Així doncs, sembla que hem après molt sobre els processos creatius en la biologia evolutiva. N’hem descobert alguna cosa que ens permeta comprendre millor altres processos creatius com la creativitat humana?

Seria absurd suposar que tot el que hem après sobre la creativitat biològica és aplicable també, per exemple, a l’àmbit humà o al de l’enginyeria. Però crec que sí que podem aprendre algunes lliçons de la creativitat biològica que poden ser útils per a diferents formes de creativitat humana. En posaré un exemple molt concret. Els enginyers sempre estan treballant per a millorar els dispositius que dissenyen, i resulta que els principis evolutius poden ser-hi de gran ajuda. Existeix una àrea de la informàtica denominada programació evolutiva, programació genètica o algorismes genètics, que utilitza principis de la biologia per a millorar els dispositius. Aquesta disciplina ha donat resultats espectaculars pel que fa al disseny de dispositius com les antenes espacials, que van ser creades mitjançant algorismes genètics. És a dir, bàsicament, un programa informàtic guiat per principis evolutius pot optimitzar la seua organització millor d’allò que els humans havien aconseguit anteriorment. Existeixen molts exemples en l’enginyeria humana de com principis evolutius com la mutació, la selecció i la recombinació poden ajudar-nos a millorar el disseny d’artefactes.

I més enllà d’això?

A banda de l’enginyeria, està també la qüestió de si la creativitat humana presenta paral·lelismes amb l’evolució biològica. Fa molt de temps que ens fem aquesta pregunta. De fet, es plantejava abans de l’època de Darwin, quan destacats pensadors sostenien que els nostres cervells simplement generen pensaments aleatoris, idees a l’atzar i conceptes nous contínuament, i després seleccionem d’alguna manera aquells que funcionen millor per a un propòsit concret. Des d’aquest punt de vista, el que ocorre dins del nostre cap és una espècie de microcosmos del mecanisme d’evolució darwiniana. Per descomptat, no tenim una visió tan detallada del que succeeix en el nostre cap quan sorgeixen noves idees i conceptes, però hi ha paral·lelismes interessants. Fins avui, destacats científics –com ara els psicòlegs cognitius o els investigadors que comparen els patrons de descobriment en la història de la ciència amb els de l’evolució biològica– sostenen que existeixen profundes similituds entre ambdós processos. Si això és, en efecte, cert, crec que podem intentar aplicar a la creativitat humana alguns dels principis que hem après sobre com explora l’evolució els paisatges adaptatius. Encara no s’ha fet de forma molt sistemàtica, però crec que serà una àrea molt important d’investigació en el futur.

Interessant. Aleshores, de forma anàloga a una xarxa de genotips, una ment errant configurada d’una certa manera podria estar millor equipada per a trobar solucions creatives?

Exacte. Aquesta n’és una de les idees. Els psicòlegs estudien el procés pel qual la ment divaga i descobreixen que les ments que ho fan poden ser de vegades més creatives que les ments que es concentren absolutament en un tema concret.

Una última pregunta. Què opina del nostre sistema educatiu? En concret, la forma de treballar del personal científic és la correcta si volem maximitzar la creativitat? Ofereix suficient espai per a divagar i cometre errors que fomenten la creativitat?

Crec que una lliçó valuosa que podem aprendre de la biologia és que, en algunes circumstàncies, pot ser molt important tolerar errors, tolerar mutacions de l’ADN que potser no són útils en un moment determinat, però que podrien arribar a ser-ho més endavant. Per analogia, crec que seria un error dissenyar un sistema educatiu similar a alguns sistemes asiàtics actuals, en què es castiguen severament els errors, per exemple, mitjançant exàmens únics que decideixen el futur professional de l’alumnat. Suspens un únic examen en la vida i el teu futur camí cap a l’educació superior pot quedar tancat. Un enfocament així no és correcte. Si volem fomentar la creativitat, és necessari crear espais on els errors no siguen un problema, on es puguen tolerar. Això no vol dir que tots els entorns educatius hagen de ser així, però sí com a mínim alguns. Aquest és un argument a favor de la continuïtat d’assignatures en què la creativitat és certament molt important, com la música, les arts, etc., que, pel que tinc entès, s’estan reduint lentament en molts països a favor de les ciències pures. Jo mateix soc científic i no tinc res en contra d’oferir una sòlida formació científica i matemàtica, però aquesta formació no ha d’anar en detriment d’assignatures que preserven i potencien la creativitat.