Uusi pyrkimys hallita evoluutiota | Quanta-lehti

Evoluutio on monimutkainen asia. Suuri osa nykyaikaisesta evoluutiobiologiasta pyrkii sovittamaan yhteen prosessin taustalla olevien voimien näennäisen satunnaisuuden – esimerkiksi mutaatioiden esiintymisen – perusperiaatteiden kanssa, joita sovelletaan kaikkialla biosfäärissä. Biologien sukupolvet ovat toivoneet ymmärtävänsä evoluution riimiä ja tarpeeksi perusteita voidakseen ennustaa, kuinka se tapahtuu.

Mutta vaikka ennustaminen on edelleen arvokas tavoite, tutkijat keskittyvät nyt sen paljon kunnianhimoisempaan serkkuun: sen tapahtumien hallintaan.

Tämä saattaa kuulostaa tieteiskirjallisuudesta, mutta suurimmat esimerkit yrityksestämme elävät menneisyydessämme. Harkitse keinotekoista valintaprosessia, Charles Darwinin keksimää termiä: Tuhansia vuosia sitten ihmiset alkoivat tunnistaa kasveja ja eläimiä, joilla on edullisia ominaisuuksia, ja valikoivasti kasvattaa niitä, mikä vahvisti näitä ominaisuuksia heidän jälkeläisissään. Tämä lähestymistapa antoi meille maatalouden, yhden ihmiskunnan historian muuttavimmista kulttuurikeinoista. Myöhemmin keinotekoinen valinta eläimillä ja kasvit auttoivat meitä ymmärtämään genetiikkaa ja sitä, kuinka geenit kehittyvät populaatioissa. Mutta niin tehokas kuin se on ollut, keinotekoinen valinta on edelleen melko rajallista.

Tämä eroaa luonnollisesta valinnasta, voimasta, joka ohjaa adaptiivista evoluutiota maapallolla, jossa ei ole tahallista toimijaa, joka tekee valinnan. Valittavana näyttelijä ei ole ihminenkasvattaja, vaan luonto itse, joka valitsee muunnelmat, joilla on korkein ”kuntoisuus” – ne, joilla on suurin todennäköisyys selviytyä ja tuottaa terveitä jälkeläisiä. Ja kun luonto tekee valinnan, tuloksia voi olla vaikea ennustaa.

Biologit toivovat nyt sanelevansa, kuinka evoluutio tapahtuu molekyylitasolla, ja hallitsevansa lisääntymisprosessia yhtä paljon kuin viljelykasveilla. Voimmeko ohjata evoluutiota mutaatio mutaatiolta kohti mitä tahansa haluamme lopputulosta? 

Huomattavaa kyllä, olemme jo puolivälissä. The 2018 kemian Nobelin palkinto tunnustettu työ menetelmästä nimeltä suunnattu evoluutio, jonka avulla tutkijat voivat suunnitella uusia biomolekyylejä. Yksi voittajista, Frances Arnold, kehitti tavan mutatoida proteiineja laboratoriossa ja sitten mitata niiden toimivuutta – esimerkiksi kuinka hyvin entsyymi metaboloi sokeria. Sitten on mahdollista eristää kiinnostavat proteiiniehdokkaat, mutatoida niitä ja valita edelleen, kunnes olemme luoneet proteiinin, jolla on parannettu toiminta (tässä tapauksessa entsyymi, joka metaboloi sokeria erittäin tehokkaasti). Tässä mielessä kemistit toimivat kuten koirankasvattajat, mutta ilman sukupuolista lisääntymistä proteiinijälkeläisten tuottamiseksi. Pikemminkin ne tuottavat monipuolisen proteiinipopulaation ja mittaavat niiden ominaisuuksia muutamassa tunnissa. Ja valitsemalla, mitä he haluavat, he hallitsevat evoluution tapahtumista.

Tästä esimerkistä käy selväksi, että evoluution hallitseminen – sen ohjaaminen kohti tiettyjä tuloksia – vaatii tietoa siitä, miten evoluutio tapahtuu, sekä teknologiaa, jolla se voi puuttua asiaan. Joten voimme ajatella ongelmaa yksinkertaisen yhtälön linssin läpi: Control = ennustus + suunnittelu.

Tämä ohjaus voi olla hienovaraisempi kuin Arnoldin lähestymistapa. Yksi 2015 tutkimus ehdotti antibioottien käyttöä tietyssä järjestyksessä evoluution ohjaamiseksi pois antibiooteille vastustuskykyisten patogeenien luomisesta. Ja jotain samanlaista tapahtuu syövän hoidossa: Onkologit yrittävät hyödyntää molekyyliymmärrystämme syövästä ohjata syöpäsoluja herkkyyttä tietyille lääkkeille. Tämä on mahdollista, koska tiedämme, että kun syöpäsolu kehittää resistenssin yhdelle lääkkeelle, se saattaa tulla herkemmäksi muille. Tämä "vakuusherkkyyden" käsite perustuu biologisten järjestelmien kompromissien perusperiaatteisiin: Evoluutiossa ei yleensä ole "ilmaista lounasta", ja sopeutuminen aiheuttaa usein kustannuksia.

Uudemmissa töissä tutkijat ovat yleistäneet nämä lähestymistavat. Kvanttifysiikan ideoiden avulla monitieteinen tiimi (mukaan lukien lääkärit, tietojenkäsittelytieteilijät ja fyysikot) soveltanut menetelmää kutsutaan vastadiabaattiseksi ajamiseksi väestön siirtämiseksi kohti ennalta määritettyjä tavoitteita. Esimerkiksi joidenkin lajien infektiot malarian loiset niitä on helpompi hoitaa kuin muita. Tutkijat saattavat yrittää "ajaa" loisten populaatioita kohti helpommin hoidettavia kantoja.

Samanlaisia ​​ideoita sovelletaan muihin järjestelmiin, kuten mikrobiomiin, joissa evoluutiobiologit käyttävät nyt ohjattua evoluutiota hallitsemaan mikrobien yhteisöt kuten ne, jotka elävät ihollamme ja suolistossamme. Tätä varten he käyttävät tietoa siitä, kuinka tietyt mikrobit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, sekä uusia mikrobitekniikoita, joiden avulla voimme tuoda mikrobeja muiden mikrobien populaatioon. Toivomme, että voimme käyttää tätä tietoa jonakin päivänä ohjaamaan mikrobiomin koostumusta sellaiseksi, joka liittyy parantuneisiin terveystuloksiin.

Nämä läpimurrot osoittavat, että evoluution hallinta on jossain muodossa nykyhetkeä, ei tulevaisuutta. Mutta useimmat onnistuneet esimerkit ovat tapahtuneet pienessä määrässä ympäristöjä: mikrobeja, mikrobiyhteisöjä ja proteiineja. Ja vieläkin, nykyiset ponnistelut keskittyvät lyhyiden ajanjaksojen hallintaan - yksikään järkevä tiedemies ei väitä pystyvänsä hallitsemaan vuosikymmenien tai vuosisatojen aikana tapahtuvaa molekyylievoluutiota (tuhansien vuosien aikana tapahtuneen keinotekoisen valinnan ulkopuolella). Evoluutioprosessin todellista valvontaa rajoittavat tiukasti nykyiset tietämyksemme ja työkalumme.

Vaikka evolutionaarisen hallinnan tekniset haasteet ovat edelleen merkittäviä, eettiset esteet ovat myös huomattavia. Ongelmat ovat päällekkäisiä geneettisesti muunnettujen organismien kanssa. Kun suunnittelemme mutaation maissikannaksi, joka antaa kyvyn kasvaa jopa stressaavissa ympäristöissä, vaikutamme kyseisen maissikannan tuleviin sukupolviin. Lisäksi, alkion valinta ihmisissä voi muistuttaa keinotekoista valintaa, mikä antaa meille kyvyn ohjata ihmispiirteiden esiintymistä tulevissa populaatioissa. Yleisesti ottaen näiden teknologioiden liian innokkaat sovellukset voivat johtua eräänlaisesta geneettisestä determinismistä – naiivista näkemyksestä, jonka mukaan populaation sisällä olevat merkitykselliset erot organismien välillä voidaan selittää (enimmäkseen) niiden geneettisellä rakenteella.

Jos koskaan yrittäisimme naiivisti ohjata ihmisten ja muiden organismien evoluutiota pidemmällä aikavälillä, joutuisimme eräänlaisen evolutionaarisen determinismin uhriksi, jonka mukaan voimme ja meidän pitäisi hallita täysin elämän kehitystä tulevaisuudessa. Lopulta nämä tavoitteet ovat väärässä paikassa. He aliarvioivat biologisen evoluution omituisuuden – vaikeuksia ottaa huomioon kaikkia voimia, jotka muokkaavat elämän toimintaa ja kukoistamista. Jotkut saattavat kuvitella, että tekoäly voi auttaa ratkaisemaan nämä epävarmuustekijät. Mutta tekoäly ei ole ihmelääke tietämättömyydelle. Se on tehokkainta, kun ymmärrämme jo järjestelmän oikut, joita yritämme mallintaa ja ennustaa. Evoluutiobiologia ei aivan täytä tätä standardia - ainakaan vielä.

Voimme (ja meidän pitäisi) samanaikaisesti ihailla modernin biologian kunnianhimoa ja saada mielen läsnäolo tunnistaaksemme rajamme. Esimerkiksi, rotuhygienia liike ehdotti, että ihmisrotua voitaisiin parantaa käyttämällä sellaisia ​​menetelmiä, jotka antoivat meille kotieläimiä ja viljelykasveja. Ymmärrämme nyt, että se oli sekä kiihkoa että perustui huonoon biologiaan. Tällaiset esimerkit ovat varoittavia tarinoita, ja niiden pitäisi opettaa meille, että huolimattomat yritykset hallita myrskyisiä voimia, kuten evoluutiota, epäonnistuvat.

Quanta tekee sarjan kyselyjä palvellakseen paremmin yleisöämme. Ota meidän biologian lukijakysely ja pääset mukaan voittamaan ilmaiseksi Quanta kauppatavaraa.