تلاش جدید برای کنترل تکامل | مجله کوانتا

تکامل چیز پیچیده ای است. بسیاری از زیست‌شناسی تکاملی مدرن به دنبال تطبیق تصادفی ظاهری نیروهای پشت این فرآیند - برای مثال نحوه وقوع جهش‌ها - با اصول بنیادینی است که در سراسر بیوسفر اعمال می‌شود. نسل‌های زیست‌شناس امیدوارند که قافیه و دلیل تکامل را به اندازه کافی درک کنند تا بتوانند چگونگی وقوع آن را پیش‌بینی کنند.

اما در حالی که پیش‌بینی همچنان یک هدف ارزشمند است، دانشمندان اکنون بر پسرعموی جاه‌طلبانه‌تر آن تمرکز کرده‌اند: کنترل بر چگونگی وقوع آن.

این ممکن است شبیه داستان های علمی تخیلی به نظر برسد، اما بزرگترین نمونه های این تلاش در گذشته ما زندگی می کنند. فرآیند انتخاب مصنوعی را در نظر بگیرید، اصطلاحی که چارلز داروین ابداع کرد: هزاران سال پیش، انسان ها شروع به شناسایی گیاهان و حیوانات با صفات ارجح و پرورش انتخابی آنها کردند که این ویژگی ها را در فرزندانشان تقویت کرد. این رویکرد کشاورزی را به ما داد، یکی از دگرگون‌کننده‌ترین اختراعات فرهنگی در تاریخ بشر. بعداً انتخاب مصنوعی در حیوانات و گیاهان به ما در درک ژنتیک و چگونگی تکامل ژن ها در جمعیت ها کمک کردند. اما به همان اندازه که موثر بوده است، انتخاب مصنوعی هنوز نسبتاً محدود است.

این با انتخاب طبیعی متفاوت است، نیرویی که تکامل تطبیقی ​​را بر روی زمین هدایت می کند، جایی که هیچ بازیگر عمدی انتخاب را انجام نمی دهد. بازیگر منتخب یک پرورش دهنده انسان نیست، بلکه خود طبیعت است که انواعی را انتخاب می کند که دارای بالاترین تناسب اندام هستند - آنهایی که بیشترین احتمال را برای زنده ماندن و تولید فرزندان سالم دارند. و هنگامی که طبیعت انتخاب می کند، پیش بینی نتایج ممکن است دشوار باشد.

اکنون زیست‌شناسان امیدوارند که نحوه وقوع تکامل در سطح مولکولی را دیکته کنند و به همان اندازه که در محصولات زراعی انجام می‌دهیم، بر فرآیند تولید مثل نظارت مستقیم داشته باشند. آیا می‌توانیم تکامل، جهش به جهش را به سمت هر نتیجه‌ای که ترجیح می‌دهیم هماهنگ کنیم؟ 

قابل توجه است، ما در حال حاضر بخشی از راه وجود دارد. این جایزه نوبل 2018 در شیمی کار بر روی روشی به نام تکامل هدایت شده، که به دانشمندان امکان مهندسی مولکول های زیستی جدید را می دهد، به رسمیت شناخته شده است. یکی از برندگان، فرانسیس آرنولد، پیشگام راهی برای جهش پروتئین ها در آزمایشگاه و سپس اندازه گیری عملکرد آنها - مثلاً اینکه یک آنزیم چقدر قند را به خوبی متابولیزه می کند، ابداع کرد. سپس می‌توان پروتئین‌های مورد نظر را جدا کرد، آنها را جهش داد و بیشتر انتخاب کرد تا زمانی که پروتئینی با عملکرد بهبودیافته تولید کنیم (در این مورد، آنزیمی که قند را بسیار مؤثر متابولیزه می‌کند). از این نظر، شیمیدان ها مانند پرورش دهندگان سگ عمل می کنند، اما بدون تکیه بر تولید مثل جنسی برای تولید فرزندان پروتئین. در عوض، آنها جمعیت متنوعی از پروتئین ها را تولید می کنند و خواص آنها را در چند ساعت اندازه گیری می کنند. و با انتخاب آنچه می خواهند، نحوه وقوع تکامل را کنترل می کنند.

از این مثال، مشخص می‌شود که کنترل تکامل - هدایت آن به سوی نتایج معین - مستلزم آگاهی از چگونگی وقوع تکامل، همراه با فناوری مداخله است. بنابراین می‌توانیم از دریچه یک معادله ساده به مسئله فکر کنیم: کنترل = پیش‌بینی + مهندسی.

این کنترل می تواند ظریف تر از رویکرد آرنولد باشد. یکی مطالعه 2015 پیشنهاد استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها به ترتیب خاصی برای جلوگیری از تکامل از ایجاد پاتوژن‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک است. و چیزی مشابه با درمان سرطان در حال رخ دادن است: انکولوژیست ها در تلاش هستند تا درک مولکولی ما از سرطان را به کار گیرند. هدایت سلول های سرطانی نسبت به حساسیت به داروهای خاص این امکان پذیر است زیرا می دانیم زمانی که یک سلول سرطانی نسبت به یک دارو مقاومت نشان می دهد، ممکن است نسبت به داروهای دیگر حساس تر شود. این مفهوم از "حساسیت جانبی" بر اساس اصول اساسی مبادلات در سیستم های بیولوژیکی است: به طور کلی، "ناهار رایگان" در تکامل وجود ندارد و سازگاری اغلب با هزینه همراه است.

در کارهای جدیدتر، دانشمندان این رویکردها را تعمیم داده اند. با استفاده از ایده های فیزیک کوانتومی، یک تیم چند رشته ای (شامل پزشکان، دانشمندان کامپیوتر و فیزیکدانان) روشی را اعمال کرد به نام رانندگی ضد دیابت برای سوق دادن جمعیت به سمت اهداف از پیش تعیین شده. به عنوان مثال، عفونت های برخی از سویه های انگل مالاریا نسبت به سایرین راحت تر درمان می شوند. محققان ممکن است سعی کنند جمعیت انگل ها را به سوی سویه های قابل درمان تر هدایت کنند.

ایده‌های مشابهی برای سیستم‌های دیگر مانند میکروبیوم به کار می‌رود، جایی که زیست‌شناسان تکاملی اکنون از تکامل هدایت‌شده برای کنترل استفاده می‌کنند. جوامع میکروبی مانند آنهایی که روی پوست و در روده ما زندگی می کنند. برای انجام این کار، آنها از دانش نحوه تعامل میکروب های خاص با یکدیگر به همراه تکنیک های میکروبی جدید استفاده می کنند که به ما اجازه می دهد میکروب ها را به جمعیتی از میکروب های دیگر وارد کنیم. امید این است که بتوانیم از این دانش استفاده کنیم تا روزی ترکیب میکروبیوم را به چیزی که با پیامدهای سلامتی بهتر مرتبط است هدایت کنیم.

این پیشرفت‌ها نشان می‌دهند که کنترل تکاملی به نوعی مربوط به حال است، نه آینده. اما بیشتر نمونه های موفق در تعداد کمی از محیط ها اتفاق افتاده است: میکروب ها، جوامع میکروبی و پروتئین ها. و حتی بیشتر از آن، تلاش‌های موجود بر روی کنترل در دوره‌های زمانی کوتاه متمرکز هستند - هیچ دانشمند معقولی ادعا نمی‌کند که بتواند تکامل مولکولی را که در طول دهه‌ها یا قرن‌ها انجام می‌شود (خارج از انتخاب مصنوعی که در طول هزاره‌ها رخ داده است) کنترل کند. کنترل واقعی بر روند تکاملی به شدت توسط دانش و ابزار فعلی ما محدود می شود.

در حالی که چالش های فنی کنترل تکاملی همچنان قابل توجه است، موانع اخلاقی نیز قابل توجه است. مسائل با موضوعات پیرامون موجودات اصلاح شده ژنتیکی همپوشانی دارند. هنگامی که ما یک جهش را به سویه‌ای از ذرت مهندسی می‌کنیم که توانایی رشد حتی در محیط‌های استرس‌زا را می‌دهد، بر نسل‌های آینده آن سویه ذرت تأثیر می‌گذاریم. علاوه بر این، انتخاب جنین در انسان می تواند شبیه انتخاب مصنوعی باشد و به ما این توانایی را می دهد که ظاهر صفات انسانی را در جمعیت های آینده هدایت کنیم. به طور کلی، کاربردهای بیش از حد این فناوری‌ها می‌تواند ناشی از نوعی جبر ژنتیکی باشد - این دیدگاه ساده‌لوحانه که تفاوت‌های معنادار بین موجودات در یک جمعیت را می‌توان (بیشتر) با ساختار ژنتیکی آنها توضیح داد.

اگر ما همیشه سعی کنیم ساده‌لوحانه تکامل انسان‌ها و سایر موجودات را در یک مقیاس زمانی طولانی‌تر هدایت کنیم، قربانی نوعی جبر تکاملی خواهیم شد، که معتقد است می‌توانیم و باید کنترل کاملی بر چگونگی تکامل زندگی در آینده داشته باشیم. در نهایت، این جاه طلبی ها نابجا هستند. آنها هوس‌طلبی تکامل بیولوژیکی را دست‌کم می‌گیرند - دشواری در نظر گرفتن تمام نیروهایی که نحوه عملکرد و شکوفایی زندگی را شکل می‌دهند. برخی ممکن است تصور کنند که هوش مصنوعی می تواند به حل این عدم قطعیت ها کمک کند. اما هوش مصنوعی نوشدارویی برای نادانی نیست. زمانی مؤثرتر است که ما از قبل تغییرات سیستمی را که می‌خواهیم مدل‌سازی و پیش‌بینی کنیم، درک کرده باشیم. زیست شناسی تکاملی کاملاً این استاندارد را برآورده نمی کند - حداقل هنوز.

ما می‌توانیم (و باید) هم‌زمان از جاه‌طلبی زیست‌شناسی مدرن سر در بیاوریم و برای شناخت محدودیت‌های خود ذهن حضور داشته باشیم. به عنوان مثال eugenics جنبش پیشنهاد کرد که نژاد بشر را می توان با استفاده از انواع روش هایی که به ما حیوانات اهلی و محصولات کشاورزی می داد، بهبود بخشید. اکنون می‌دانیم که هم متعصبانه بود و هم مبتنی بر زیست‌شناسی بد. مثال‌هایی از این دست، حکایت‌های هشداردهنده‌ای هستند، و باید به ما بیاموزند که تلاش‌های بی‌دقت برای کنترل نیروهای طوفانی مانند تکامل، ناکام خواهند ماند.

کوانتوم در حال انجام یک سری نظرسنجی برای ارائه خدمات بهتر به مخاطبانمان است. ما را بگیر نظرسنجی خواننده زیست شناسی و شما برای برنده شدن رایگان وارد خواهید شد کوانتوم کالا