Az új küldetés az evolúció irányítására | Quanta Magazin

Az evolúció bonyolult dolog. A modern evolúciós biológia nagy része igyekszik összeegyeztetni a folyamat mögött meghúzódó erők látszólagos véletlenszerűségét – például a mutációk létrejöttét – a bioszférában érvényesülő alapelvekkel. Biológusok nemzedékei remélték, hogy megértik az evolúció rímét és elég okot ahhoz, hogy megjósolhassák, hogyan történik.

Ám bár az előrejelzés továbbra is méltó cél, a tudósok most sokkal ambiciózusabb rokonára összpontosítanak: a történések irányítására.

Ez sci-finek hangzik, de a törekvések legnagyobb példái a múltunkban élnek. Gondoljunk csak a mesterséges szelekció folyamatára, amelyet Charles Darwin talált ki: Évezredekkel ezelőtt az emberek elkezdték azonosítani a növényeket és állatokat, amelyek előnyös tulajdonságokkal rendelkeznek, és szelektíven szaporították őket, ami felerősítette ezeket a tulajdonságokat utódaikban. Ez a megközelítés adta nekünk a mezőgazdaságot, az egyik legátalakítóbb kulturális találmányt az emberiség történetében. Később mesterséges szelekció állatoknál és a növények segítettek megérteni a genetikát, és azt, hogy a gének hogyan fejlődnek a populációkban. De amilyen hatékony volt, a mesterséges szelekció még mindig meglehetősen korlátozott.

Ez különbözik a természetes szelekciótól, attól az erőtől, amely az adaptív evolúciót mozgatja a Földön, ahol nincs szándékos szereplő, aki a kiválasztást végezné. A kiválasztó szereplő nem embertenyésztő, hanem maga a természet, amely a legmagasabb „fittséggel” rendelkező változatokat választja ki – azokat, amelyek a legnagyobb eséllyel élnek túl és egészséges utódokat hoznak létre. És amikor a természet választja ki, az eredményeket nehéz megjósolni.

A biológusok most azt remélik, hogy megszabhatják, hogyan zajlik le az evolúció molekuláris szinten, és ugyanolyan közvetlen irányítást gyakorolhatnak a szaporodási folyamat felett, mint a növényeknél. Meg tudjuk-e irányítani az evolúciót, mutációról mutációra, bármilyen eredmény felé? 

Figyelemre méltó, hogy már félúton vagyunk. A 2018-es kémiai Nobel-díj elismert munka az irányított evolúció nevű módszeren, amely lehetővé teszi a tudósok számára, hogy új biomolekulákat tervezzenek. Az egyik nyertes, Frances Arnold úttörőként dolgozott ki egy módszert a fehérjék laboratóriumi mutációjára, majd funkcionalitásuk mérésére – például arra, hogy egy enzim milyen jól metabolizálja a cukrot. Ezután lehetséges az érdeklődésre számot tartó fehérje jelöltek izolálása, mutációja és további szelekciója mindaddig, amíg nem hozunk létre egy javított funkciójú fehérjét (jelen esetben egy olyan enzimet, amely nagyon hatékonyan metabolizálja a cukrot). Ebben az értelemben a kémikusok úgy működnek, mint a kutyatenyésztők, de anélkül, hogy az ivaros szaporodásra támaszkodnának a fehérje utódok létrehozásában. Inkább sokféle fehérjepopulációt hoznak létre, és órák alatt mérik fel tulajdonságaikat. És azzal, hogy kiválasztják, mit akarnak, irányítják az evolúció folyamatát.

Ebből a példából világossá válik, hogy az evolúció irányítása – bizonyos eredmények felé terelése – megköveteli az evolúció történésének ismeretét, valamint a beavatkozáshoz szükséges technológiát. Tehát a problémát egy egyszerű egyenlet lencséjén keresztül gondolhatjuk: Control = előrejelzés + tervezés.

Ez az irányítás finomabb lehet, mint Arnold megközelítése. Egy 2015 vizsgálat javasolták az antibiotikumok meghatározott sorrendben történő alkalmazását, hogy eltereljék az evolúciót az antibiotikum-rezisztens kórokozók létrejöttétől. És valami hasonló történik a rákkezeléssel: az onkológusok megpróbálják a rákról alkotott molekuláris ismereteinket felhasználni irányítani a rákos sejteket bizonyos gyógyszerek iránti érzékenységre. Ez azért lehetséges, mert tudjuk, hogy amikor egy rákos sejt rezisztenciát fejleszt ki egy gyógyszerrel szemben, érzékenyebbé válhat másokkal szemben. A „biztosítéki érzékenység” fogalma a biológiai rendszerek kompromisszumainak alapelvein alapul: Az evolúcióban általában nincs „ingyen ebéd”, és az alkalmazkodás gyakran költségekkel jár.

Az újabb munkákban a tudósok általánosították ezeket a megközelítéseket. A kvantumfizika ötleteit felhasználva egy multidiszciplináris csapat (orvosok, informatikusok és fizikusok) módszert alkalmazott antidiabatikus vezetésnek nevezik, hogy a populációkat előre meghatározott célok felé tereljék. Például bizonyos törzsek fertőzései malária paraziták könnyebben kezelhetők, mint mások. A kutatók megpróbálhatják „terelni” a paraziták populációit a könnyebben kezelhető törzsek felé.

Hasonló ötleteket alkalmaznak más rendszerekben is, például a mikrobiomban, ahol az evolúciós biológusok irányított evolúciót használnak az ellenőrzésre. mikrobiális közösségek mint a bőrünkön és a bélrendszerünkben élők. Ehhez olyan ismereteket használnak fel, hogy bizonyos mikrobák hogyan lépnek kölcsönhatásba egymással, valamint olyan új mikrobiális technikákat, amelyek lehetővé teszik, hogy mikrobákat vigyünk be más mikrobák populációjába. Reméljük, hogy ezt a tudást egy napon felhasználhatjuk arra, hogy a mikrobióm összetételét olyanra tereljük, amely jobb egészségügyi eredményekkel jár.

Ezek az áttörések azt mutatják, hogy az evolúciós irányítás valamilyen formában a jelen, nem pedig a jövő dolga. A legtöbb sikeres példa azonban kis számú környezetben történt: mikrobák, mikrobiális közösségek és fehérjék esetében. És még tovább, a meglévő erőfeszítések a rövid időn keresztüli ellenőrzésre összpontosítanak – egyetlen ésszerű tudós sem állítja, hogy képes lenne irányítani az évtizedeken vagy évszázadokon át tartó molekuláris evolúciót (az évezredek óta lezajlott mesterséges szelekción kívül). Az evolúciós folyamat feletti valódi ellenőrzést szigorúan korlátozzák jelenlegi tudásunk és eszközeink.

Noha az evolúciós ellenőrzés technikai kihívásai továbbra is jelentősek, az etikai akadályok is figyelemre méltóak. A kérdések átfedésben vannak a géntechnológiával módosított organizmusokkal kapcsolatos problémákkal. Amikor egy kukoricatörzsbe olyan mutációt alakítunk ki, amely még stresszes környezetben is képes növekedni, akkor befolyásoljuk a kukoricatörzs jövőbeli generációit. Továbbá, embrió kiválasztása az emberekben a mesterséges szelekcióhoz hasonlíthatnak, lehetővé téve számunkra, hogy irányítsuk az emberi tulajdonságok megjelenését a jövő populációiban. Általánosságban elmondható, hogy ezeknek a technológiáknak a túlbuzgó alkalmazása egyfajta genetikai determinizmusra vezethető vissza – az a naiv nézet, hogy a populáción belüli élőlények közötti jelentős különbségek (leginkább) genetikai felépítésükkel magyarázhatók.

Ha valaha is megpróbálnánk naivan irányítani az evolúciót az emberekben és más organizmusokban, hosszabb időtávon, egyfajta evolúciós determinizmus áldozataivá válnánk, amely szerint teljes ellenőrzés alatt tarthatjuk, hogyan alakul az élet a jövőben. Végső soron ezek az ambíciók nem megfelelőek. Alábecsülik a biológiai evolúció szeszélyét – azt a nehézséget, hogy figyelembe vegyék az élet működését és virágzását alakító összes erőt. Egyesek azt gondolhatják, hogy a mesterséges intelligencia segíthet megoldani ezeket a bizonytalanságokat. De az AI nem csodaszer a tudatlanság ellen. Akkor a leghatékonyabb, ha már megértjük annak a rendszernek a szeszélyeit, amelyet modellezni és megjósolni próbálunk. Az evolúcióbiológia nem egészen felel meg ennek a szabványnak – legalábbis még nem.

Egyszerre áradhatunk (és kell is) a modern biológia ambícióira, és rendelkezhetünk az elme jelenlétével, hogy felismerjük korlátainkat. Például a eugenika mozgalom azt javasolta, hogy az emberi fajt meg lehetne javítani olyan módszerekkel, amelyek háziasított állatokat és terményeket adtak nekünk. Ma már megértjük, hogy ez egyszerre volt nagyképű, és rossz biológián alapult. Az ehhez hasonló példák figyelmeztető mesék, és meg kell tanítaniuk nekünk, hogy a viharos erők, például az evolúció irányítására tett hanyag kísérletek kudarcot vallanak.

Quanta felméréssorozatot végez közönségünk jobb kiszolgálása érdekében. Vidd a miénket biológia olvasói felmérés és ingyenesen nyerhetsz Quanta áru.