Den nye søgen efter at kontrollere evolutionen | Quanta Magasinet

Evolution er en kompliceret ting. Meget af moderne evolutionær biologi søger at forene den tilsyneladende tilfældighed af kræfterne bag processen - hvordan mutationer opstår, for eksempel - med de grundlæggende principper, der gælder på tværs af biosfæren. Generationer af biologer har håbet på at forstå evolutionens rim og grund nok til at kunne forudsige, hvordan det sker.

Men mens forudsigelse forbliver et værdigt mål, fokuserer videnskabsmænd nu på dens meget mere ambitiøse fætter: kontrol over, hvordan det sker.

Dette kan lyde som science fiction, men de største eksempler på bestræbelsen lever i vores fortid. Overvej processen med kunstig udvælgelse, et udtryk opfundet af Charles Darwin: For tusinder af år siden begyndte mennesker at identificere planter og dyr med foretrukne egenskaber og selektivt avle dem, hvilket forstærkede disse egenskaber hos deres afkom. Denne tilgang gav os landbrug, en af ​​de mest transformative kulturelle opfindelser i menneskehedens historie. Senere kunstig udvælgelse hos dyr og planter hjalp os med at forstå genetik, og hvordan gener udvikler sig i populationer. Men lige så effektivt som det har været, er kunstig udvælgelse stadig ret begrænset.

Dette er forskelligt fra naturlig udvælgelse, den kraft, der driver adaptiv evolution på Jorden, hvor der ikke er nogen bevidst aktør, der foretager udvælgelsen. Den udvælgende skuespiller er ikke en menneskelig opdrætter, men naturen selv, som udvælger de varianter med den højeste "fitness" - dem med størst sandsynlighed for at overleve og producere sunde afkom. Og når naturen udvælger, kan resultaterne være svære at forudsige.

Nu håber biologer at diktere, hvordan evolution sker på molekylært niveau, og at udøve lige så meget direkte kontrol over reproduktionsprocessen, som vi gør i afgrøder. Kan vi orkestrere evolution, mutation for mutation, mod det resultat, vi foretrækker? 

Bemærkelsesværdigt nok er vi allerede halvvejs der. Det 2018 Nobelpris i kemi anerkendt arbejde på en metode kaldet rettet evolution, som gør det muligt for forskere at konstruere nye biomolekyler. En af vinderne, Frances Arnold, var banebrydende for en måde at mutere proteiner på i laboratoriet og derefter måle deres funktionalitet - for eksempel, hvor godt et enzym metaboliserer sukker. Det er derefter muligt at isolere proteinkandidaterne af interesse, mutere dem og vælge yderligere, indtil vi har genereret et protein med forbedret funktion (i dette tilfælde et enzym, der metaboliserer sukker meget effektivt). I denne forstand fungerer kemikere som hundeopdrættere, men uden at være afhængige af seksuel reproduktion for at generere proteinafkommet. Snarere genererer de en mangfoldig population af proteiner og måler deres egenskaber på få timer. Og ved at vælge, hvad de vil have, styrer de, hvordan evolutionen sker.

Fra dette eksempel bliver det klart, at styring af evolution - at styre den mod bestemte resultater - kræver viden om, hvordan evolution vil ske, sammen med teknologien til at gribe ind. Så vi kan tænke på problemet gennem linsen af ​​en simpel ligning: Kontrol = forudsigelse + teknik.

Denne kontrol kan være mere subtil end Arnolds tilgang. En 2015 undersøgelse foreslog at bruge antibiotika i en bestemt rækkefølge for at styre evolutionen væk fra at skabe antibiotika-resistente patogener. Og noget lignende sker med kræftbehandling: Onkologer forsøger at udnytte vores molekylære forståelse af kræft til at styre kræftceller mod modtagelighed for visse lægemidler. Dette er muligt, fordi vi ved, at når en kræftcelle udvikler resistens over for ét lægemiddel, kan den blive mere modtagelig for andre. Denne forestilling om "sikkerhedsfølsomhed" er baseret på grundlæggende principper for afvejninger i biologiske systemer: Generelt er der ingen "gratis frokost" i evolutionen, og tilpasning kommer ofte med omkostninger.

I nyere arbejde har videnskabsmænd generaliseret disse tilgange. Ved hjælp af ideer fra kvantefysik, et tværfagligt team (herunder læger, dataloger og fysikere) anvendt en metode kaldet moddiabatisk kørsel for at flytte befolkninger mod forudbestemte mål. For eksempel infektioner fra nogle stammer af malariaparasitter er nemmere at behandle end andre. Forskere forsøger måske at "drive" populationer af parasitterne mod de lettere behandlelige stammer.

Lignende ideer anvendes på andre systemer, såsom mikrobiomet, hvor evolutionære biologer nu bruger rettet evolution til at kontrollere mikrobielle samfund som dem, der lever på vores hud og i vores tarm. For at gøre dette bruger de viden om, hvordan visse mikrober interagerer med hinanden sammen med nye mikrobielle teknikker, der giver os mulighed for at introducere mikrober i en population af andre mikrober. Håbet er, at vi kan bruge denne viden til en dag at styre sammensætningen af ​​mikrobiomet til en, der er forbundet med forbedrede sundhedsresultater.

Disse gennembrud viser, at i en eller anden form er evolutionær kontrol noget, der hører nutiden til, ikke fremtiden. Men de fleste vellykkede eksempler har fundet sted i et lille antal omgivelser: mikrober, mikrobielle samfund og proteiner. Og endnu mere fokuserer eksisterende indsats på kontrol over korte tidsperioder - ingen fornuftig videnskabsmand foregiver at være i stand til at kontrollere molekylær evolution, der virker over årtier eller århundreder (uden for den kunstige udvælgelse, der har fundet sted gennem årtusinder). Ægte kontrol over den evolutionære proces forbliver strengt begrænset af vores nuværende viden og værktøjer.

Mens de tekniske udfordringer ved evolutionær kontrol fortsat er betydelige, er de etiske barrierer også bemærkelsesværdige. Problemerne overlapper med dem omkring genetisk modificerede organismer. Når vi udvikler en mutation til en majsstamme, der giver evnen til at vokse selv i stressede miljøer, påvirker vi fremtidige generationer af denne majsstamme. Desuden, embryoudvælgelse hos mennesker kan ligne kunstig selektion, hvilket giver os mulighed for at styre udseendet af menneskelige egenskaber i fremtidige befolkninger. Generelt kan overivrige anvendelser af disse teknologier være drevet af en slags genetisk determinisme - den naive opfattelse, at de meningsfulde forskelle mellem organismer i en population kan forklares (for det meste) af deres genetiske sammensætning.

Skulle vi nogensinde prøve at naivt styre evolutionen i mennesker og andre organismer over en længere tidsskala, ville vi blive ofre for en slags evolutionær determinisme, som hævder, at vi kan og bør have fuld kontrol over, hvordan livet udvikler sig i fremtiden. I sidste ende er disse ambitioner malplacerede. De undervurderer den biologiske evolutions lune – vanskeligheden ved at overveje alle de kræfter, der former, hvordan livet fungerer og blomstrer. Nogle vil måske forestille sig, at kunstig intelligens kan hjælpe med at løse disse usikkerheder. Men AI er ikke et vidundermiddel mod uvidenhed. Det er mest effektivt, når vi allerede forstår lunerne i det system, som vi forsøger at modellere og forudsige. Evolutionsbiologi opfylder ikke helt denne standard - i hvert fald ikke endnu.

Vi kan (og bør) samtidig kaste os ud i den moderne biologis ambition og have sindets tilstedeværelse til at genkende vores grænser. For eksempel racehygiejne bevægelse foreslog, at menneskeheden kunne forbedres ved hjælp af den slags metoder, der gav os tamme dyr og afgrøder. Vi forstår nu, at det både var stort og baseret på dårlig biologi. Eksempler som disse er advarende fortællinger, og de burde lære os, at skødesløse forsøg på at kontrollere stormfulde kræfter som evolution er nødt til at mislykkes.

Quanta gennemfører en række undersøgelser for bedre at kunne betjene vores publikum. Tag vores biologi læserundersøgelse og du vil være med til at vinde gratis Quanta varer.