Jordi Bascompte: "Hem resolt un forat negre de la biologia, el salt a les cèl·lules complexes"

Jordi Bascompte (Olot, 1967), catedràtic d'Ecologia a la Universitat de Zuric, ha identificat, juntament amb E. Muro, F. Ballesteros i B. Luque, una llei general de la biologia que reconcilia l'exploració aleatòria de l'evolució amb la universalitat de la física.  L'estudi publicat dijous a PNAS, la revista de l'Acadèmia de Ciències dels Estats Units, complementa la teoria de la simbiosi desenvolupada per Lynn Margulis i obre perspectives amb implicacions socials i filosòfiques.

Bascompte  ja havia identificat amb anterioritat altres lleis generals, les que determinen les interaccions entre les espècies. Va introduir el benefici mutu entre plantes i animals en la teoria de l'ecologia de comunitats. Per aquelles recerques va rebre el Premi Ramon Margalef d'Ecologia de la Generalitat, el 2021, i el Marsh Book Award, de la British Ecological Society, el 2016, entre altres.

Jordi Vilardell:  En el vostre estudi documenteu que, durant gairebé la meitat de la història de la vida a la Terra, l'increment de la complexitat dels organismes estava limitat per la longitud de les proteïnes. Però, en un moment determinat, amb l'aparició de la cèl·lula complexa, la cèl·lula eucariota, com les que tenim els animals, el creixement dels gens es desvincula del creixement de les proteïnes.

Jordi Bascompte:  El procés pel qual s'activen els gens està regulat per les proteïnes. En una primera fase de l'evolució hi ha un augment de la longitud de les proteïnes amb l'increment de longitud dels gens. Però això té un límit físic, computacional, perquè a partir de cert punt trobar proteïnes més grans és inviable. Aquest límit impedeix l'increment de complexitat.

Hi ha un moment de l'evolució en el que la cèl·lula eucariota, incorpora en el seu nucli gens no codificants de proteïnes i això permet l'evolució de les eucariotes. Aquestes seqüències de gens no codificants són els trossos d'ADN que fins fa poc es pensava que eren escombraria. Trossos d'ADN que en les cèl·lules eucariotes  s'inserten al mig de gens i permeten noves combinacions.

Això obre un munt de possibilitats. De cop l'evolució té el material bàsic, el pot ajuntar com vol, com si fossin peces de Lego. Ara pot agafar un trosset i ajuntar-hi un altre trosset, o un altre, o un altre... 

Aquestes seqüències de gens no codificants de proteïnes  procedeixen dels bacteris associats per simbiosi en la cèl·lula eucariota? És el bacteri associat qui perd uns gens que s'integren en el nucli de la cèl·lula eucariota?

JB:   Sí. Mantenir els gens i la síntesis de proteïna és molt costós energèticament, consumeix el 70% del metabolisme de la cèl·lula. En el moment que el bacteri està en un ambient molt més estable, en la cèl·lula hoste, pot perdre una quantitat molt gran de gens que ja no li serveixen per a res. Se'n queda només uns quants, que són els que li serveixen per regular la seva producció d'energia.

El nucli de la cèl·lula eucariota incorpora aquests gens en seqüències no codificants de proteïna. De cop disposa d'un extra de gens que poden ser utilitzats. Han perdut la funció que tenien en el bacteri original, però constitueixen un material amb el que l'evolució pot fer moltes coses. I l'evolució sempre ha estat molt bona reutilitzant coses.

Aquest és un exemple de com funciona l'evolució. Funciona sempre com una magnífica matussera. L'evolució avança amb el que té disponible en cada moment.

En el vostre treball dieu que es pot veure l'evolució com un algorisme d'optimització gegantí, on cada espècie fa la seva pròpia aproximació a la solució

JB:  L'evolució explora, busca solucions. És un mecanisme aleatori de difusió, en l'espai, de possibilitats que estadísticament incrementa la complexitat, perquè comença de forma molt senzilla, perquè hi ha més espai cap a la complexitat que cap a la simplificació. 

Quan comença la vida, l'exploració és per a fer proteïnes més llargues. Amb proteïnes més llargues es pot fer més sofisticat el procés de regulació genètica, incrementant la complexitat. Fins que s'arriba a un límit computacional. Trobar proteïnes més grans de certa mida és súper complicat; en termes energètics, en termes de plegament... Trobar una proteïna molt llarga que es plegui bé cada vegada és més complicat. L'evolució toca fonts i no pot incrementar la complexitat. El temps de computació, el temps que requereix trobar una solució creix moltíssim i l'evolució cap a increments addicionals de complexitat queda pràcticament aturada.

La solució és fer un canvi brusc cap a un nou tipus de solució que simplifica la cerca. En el cas de la cèl·lula eucariota,  amb les noves possibilitats de combinacions de gens no codificants hi ha un número exponencialment més gran de solucions i trobar-ne una és molt ràpid. Potser no és la millor solució, però a l'evolució li dona igual mentre funcioni, o mentre funcioni millor del que tenia.

És com si l'evolució hagués topat amb un mur que no li deixés continuar, ja no pot generar més complexitat. Només quan troba una nova via evolutiva deixa enrere el mur. Amb la cèl·lula eucariota l'evolució disposa dels gens no codificants de proteïna i pot expandir moltíssim la cerca de de complexitat.

Aquest canvi brusc que heu identificat el definiu com una transició de fase, el mateix que passa en qualsevol sistema complex quan passa a un nou estadi estable. És aquesta descoberta la que reconcilia la contingència de l'evolució, l'exploració aleatòria, amb la universalitat de la física?

JB: Exacte. En el nostre treball la transició de fase la il·lustrem amb la densitat de seqüències de gens no codificants. Amb l'aparició de la cèl·lula eucariota de cop la freqüència de seqüències no codificants fa un salt.

El nostre retrat de la transició de fase coincideix amb la manca de formes intermèdies en l'aparició de  les eucariotes, el que s'ha anomenat un "forat negre al cor de la biologia".  

Els biòlegs sempre han intentat buscar la baula perduda, la forma intermèdia, i no l'han trobat. No hi ha formes intermèdies. No hi ha una eucariota que sigui un 10% eucariota. El nostre treball ens diu que no hi ha formes intermèdies. La física impedeix que hi pugui haver formes intermèdies, perquè serien inestables.

La visió del biòleg és essencialment una visió adaptativa, mentre que la visió del físic és estructuralista, una visió de lleis on només algunes coses són possibles. Com deia Ramon Margalef: "Hi ha poques lleis en biologia i les que hi ha són de tipus ‘prohibit el pas'".  

Com encaixa el vostre treball amb la teoria de Lynn Margulis que explica l'origen de la cèl·lula complexa, l'eucariota, per simbiosi de bacteris que es van fusionar i sumant les habilitats de cada un s'adaptaven millor a l'ambient?

JB:     Són diferents peces d'un procés comú. La teoria de Margulis és totalment acceptada i és la forma per entendre com s'origina la cèl·lula eucariota. Ara bñe, quan s'origina hi ha problemes nous i l'evolució té un repte molt important. La recepta que funcionava pels bacteris ja no funciona, perquè has de coordinar gens mitocondrials, procedents de bacteris,  i gens del nucli de la cèl·lula hoste. És aquí on cal un canvi radical de forma de regulació. La nostra aproximació ens diu com té lloc aquest canvi radical, quines propietats estadístiques té.

La teoria de la simbiosi desenvolupada per Margulis va incorporar a la teoria de l'evolució la cooperació com a força evolutiva fonamental, un tema que tu també has treballat

JB:   La cooperació ha jugat un paper creatiu a diferents nivells en l'evolució. Ara ho veiem en aquest nou treball, però també en molts altres exemples. Bona part de la meva recerca l'he centrat en les comunitats ecològiques, particularment en la relació de mutualisme entre plantes i pol·linitzadors, entre plantes i els seus dispersors de llavors. El mutualisme és un dels mecanismes més importants per generar diversitat. És per això que vivim en un planeta amb tanta biodiversitat.

Al llarg de la història de la vida les relacions de cooperació, de benefici mutu, han jugat un paper molt important. Per tant, és un model que es podria extrapolar a sistemes socials.

Una de les coses que sabem per dinàmica de sistemes és que quan un sistema s'acosta a un salt de fase, a un canvi abrupte, comença a haver-hi cada vegada més vibracions, més variacions en el  sistema i en el vostre treball també ho heu vist.

JB:   Quan t'acostes a una transició de fase tens un increment en la variabilitat i en el nostre treball ho veiem en la quantitat de material genètic que no codifica. Abans de la transició hi ha molta dispersió de gens no codificants i després de la transició queda molt més estable, hi ha menys variabilitat.

Una gran variabilitat i moltes més fluctuacions, com ho exemplifiquem en el nostre treball, pot indicar que ens acostem a un punt de no retorn, a una transició de fase. Tant se val que parlis de comunitats ecològiques o d'altres sistemes complexos, és el mateix tipus de comportament estadístic: quan el sistema passa per una transició de fase tota la diversitat del sistema queda atrapada per la tirania de la matemàtica: els detalls es fan irrellevants.

Un altre treball liderat pel meu amic Marten Scheffer en el que vaig participar, i que va tenir força influència, és el que vam publicar a Nature el 2009, en el que demostrem que l'increment de variabilitat del sistema pot utilitzar-se com un indicador genèric de la proximitat a la transició. Es molt general, funciona en sistemes ecològics, socials, etc.

Si mirem la civilització humana com un ecosistema sembla que el sistema humà comença a fer moltes variacions, estan passant ràpidament coses molt diferents del que passava, a nivell polític, energètic, militar, filosòfic, tecnològic...

JB:    Si... La dècada passada un consorci internacional de científics liderats per Anthony Barnosky vam publicar un estudi sobre com la biosfera s'acosta a un punt de no retorn, a un canvi abrupte. Hi ha força evidència. Hem tingut punts de no retorn més o menys locals o regionals, però ara hi ha evidencies que ens apropem a un punt de no retorn a nivell planetari. No podem dir quan passarà, però hi ha una acceleració i estem molt propers a un punt de no retorn.

És una mala notícia que podem veure de forma positiva. Els sociòlegs han vist que quan les notícies són molt negatives la gent s'inhibeix, però quan encara hi ha possibilitat d'escollir hi ha molt més engrescament. La part positiva és que sabem que és molt fàcil tirar enrere i allunyar-se del punt de no retorn. No requereix grans inversions de diners, ni d'energia.

I també sabem que un cop passes un punt de no retorn tornar enrere és hipercomplicat, perquè són sistemes que tenen memòria, sistemes irreversibles. Per exemple, un llac, en el moment que es fa atròfic no és suficient netejar-lo una mica, un cop estàs en l'altre estat has de netejar molt més perquè el llac torni a l'estat inicial.

Els humans tendim a pensar de forma lineal: una petita pertorbació,  una petita conseqüència. I això no és així. Hi ha sistemes que aparentment no s'afecten per les pertorbacions, que sembla que les absorbeixen bé, però a mesura que el vas pertorbant van perdent la seva resiliència,  la seva capacitat d'absorbir més pertorbacions. Arriba un punt en el que una petita pertorbació addicional, un increment addicional de CO2 a l'atmosfera o de nitrogen en un llac, fa que tot el sistema rodi cap a una altre estadi alternatiu.

En el vostre treball dieu que la recerca futura hauria d'explorar els feedbacks entre energia i informació.

JB:    Lynn Margulis va proposar l'origen de la cèl·lula eucariota per simbiosi entre dos organismes unicel·lulars, i això està establert. Nick Lane i William Martin posen l'èmfasi en les restriccions energètiques de la cèl·lula procariota, que fan que no pugui  créixer més de cert nivell. Ara nosaltres afegim un altre punt de vista, que és el computacional, que és una altra restricció.

Amb diferents punts de vista va creixent la idea del paper de les restriccions. La idea de que l'evolució pot explorar fins que arriba a un "prohibit al pas", com deia Margalef. Aquesta situació ve de les restriccions de la física. 

Els propers anys serà maco veure si algú intenta combinar la restricció computacional, el paper de l'energia i el paper de la informació. Llavors tindríem un marc per entendre com es va organitzar la cèl·lula eucariota, no solament com va sorgir per simbiosi, també com hi van haver mecanismes que van estabilitzar aquesta nova entitat i van permetre escapar del límit energètic i computacional que hi havia. 

La vida té a veure amb l'energia i amb la informació. És un sistema de control de les condicions de contorn, que depèn de la cèl·lula. Amb la cèl·lula eucariota la vida va trobar una nova via que li va permetre superar un mur que l'impedia evolucionar a major complexitat.

Aquest tipus d'innovacions es donen arreu. Ho veiem per exemple en la tecnologia. Hi ha cruïlles en el desenvolupament tecnològic quan es dona una sinergia entre una sèrie de dos o tres tecnologies que van de la mà, com podria ser la intel·ligència artificial i les energies renovables. 

Un nou tipus de solució que permet superar un mur i fer un canvi brusc permet, no només millorar, sinó fer un salt evolutiu.