Den nye søken etter å kontrollere evolusjonen | Quanta Magazine

Evolusjon er en komplisert ting. Mye av moderne evolusjonsbiologi søker å forene den tilsynelatende tilfeldigheten til kreftene bak prosessen - hvordan mutasjoner oppstår, for eksempel - med de grunnleggende prinsippene som gjelder over hele biosfæren. Generasjoner av biologer har håpet å forstå evolusjonens rim og grunn nok til å kunne forutsi hvordan det skjer.

Men mens spådom fortsatt er et verdig mål, fokuserer forskere nå på dens mye mer ambisiøse fetter: kontroll over hvordan det skjer.

Dette kan høres ut som science fiction, men de største eksemplene på bestrebelsen lever i fortiden vår. Tenk på prosessen med kunstig seleksjon, et begrep laget av Charles Darwin: For tusenvis av år siden begynte mennesker å identifisere planter og dyr med foretrukne egenskaper og selektivt avle dem, noe som forsterket disse egenskapene hos deres avkom. Denne tilnærmingen ga oss jordbruk, en av de mest transformative kulturelle oppfinnelsene i menneskets historie. Senere kunstig utvalg hos dyr og planter hjalp oss med å forstå genetikk, og hvordan gener utvikler seg i populasjoner. Men så effektivt som det har vært, er kunstig utvalg fortsatt ganske begrenset.

Dette er forskjellig fra naturlig utvalg, kraften som driver adaptiv evolusjon på jorden, hvor det ikke er noen tilsiktet aktør som gjør utvelgelsen. Den utvelgende skuespilleren er ikke en menneskelig oppdretter, men naturen selv, som velger variantene med høyest "kondisjon" - de med størst sannsynlighet for å overleve og produsere sunne avkom. Og når naturen velger, kan utfallet være vanskelig å forutsi.

Nå håper biologer å diktere hvordan evolusjon skjer på molekylært nivå, og å utøve like mye direkte kontroll over reproduksjonsprosessen som vi gjør i avlinger. Kan vi orkestrere evolusjon, mutasjon for mutasjon, mot det resultatet vi foretrekker? 

Bemerkelsesverdig nok er vi allerede halvveis der. De 2018 Nobelpris i kjemi anerkjent arbeid med en metode kalt rettet evolusjon, som lar forskere konstruere nye biomolekyler. En av vinnerne, Frances Arnold, var banebrytende for en måte å mutere proteiner på i laboratoriet og deretter måle funksjonaliteten deres - si hvor godt et enzym metaboliserer sukker. Det er da mulig å isolere proteinkandidatene av interesse, mutere dem og velge videre, til vi har generert et protein med forbedret funksjon (i dette tilfellet et enzym som metaboliserer sukker veldig effektivt). I denne forstand opererer kjemikere som hundeoppdrettere, men uten å stole på seksuell reproduksjon for å generere proteinavkommet. Snarere genererer de en mangfoldig populasjon av proteiner og måler egenskapene deres på bare timer. Og ved å velge hva de vil, kontrollerer de hvordan evolusjonen skjer.

Fra dette eksemplet blir det klart at det å kontrollere evolusjonen – å styre den mot visse utfall – krever kunnskap om hvordan evolusjonen vil skje, sammen med teknologien for å gripe inn. Så vi kan tenke på problemet gjennom linsen til en enkel ligning: Kontroll = prediksjon + engineering.

Denne kontrollen kan være mer subtil enn Arnolds tilnærming. En 2015 studie foreslått å bruke antibiotika i en bestemt rekkefølge for å styre evolusjonen unna å lage antibiotikaresistente patogener. Og noe lignende skjer med kreftbehandling: Onkologer prøver å utnytte vår molekylære forståelse av kreft til å styre kreftceller mot mottakelighet for visse medikamenter. Dette er mulig fordi vi vet at når en kreftcelle utvikler resistens mot ett medikament, kan den bli mer mottakelig for andre. Denne forestillingen om "sikkerhetsfølsomhet" er basert på grunnleggende prinsipper for avveininger i biologiske systemer: Generelt er det ingen "gratis lunsj" i evolusjonen, og tilpasning kommer ofte med kostnader.

I nyere arbeid har forskere generalisert disse tilnærmingene. Ved å bruke ideer fra kvantefysikk, et tverrfaglig team (inkludert leger, informatikere og fysikere) brukt en metode kalt motdiabatisk kjøring for å flytte populasjoner mot forhåndsbestemte mål. For eksempel infeksjoner fra enkelte stammer av malariaparasitter er lettere å behandle enn andre. Forskere kan prøve å "drive" populasjoner av parasittene mot de lettere behandlelige stammene.

Lignende ideer blir brukt på andre systemer, for eksempel mikrobiomet, hvor evolusjonsbiologer nå bruker rettet evolusjon for å kontrollere mikrobielle samfunn som de som lever på huden vår og i tarmen vår. For å gjøre dette bruker de kunnskap om hvordan visse mikrober samhandler med hverandre sammen med nye mikrobielle teknikker som lar oss introdusere mikrober i en populasjon av andre mikrober. Håpet er at vi kan bruke denne kunnskapen til en dag å styre sammensetningen av mikrobiomet til en assosiert med forbedrede helseutfall.

Disse gjennombruddene viser at i en eller annen form er evolusjonskontroll en ting som hører nåtiden, ikke fremtiden. Men de fleste vellykkede eksemplene har funnet sted i et lite antall omgivelser: mikrober, mikrobielle samfunn og proteiner. Og enda mer fokuserer eksisterende innsats på kontroll over korte tidsperioder - ingen fornuftig vitenskapsmann hevder å være i stand til å kontrollere molekylær evolusjon som virker over tiår eller århundrer (utenfor den kunstige seleksjonen som har funnet sted over årtusener). Ekte kontroll over den evolusjonære prosessen forblir strengt begrenset av vår nåværende kunnskap og verktøy.

Mens de tekniske utfordringene ved evolusjonskontroll fortsatt er betydelige, er de etiske barrierene også bemerkelsesverdige. Problemene overlapper med de rundt genmodifiserte organismer. Når vi konstruerer en mutasjon til en maisstamme som gir evnen til å vokse selv i stressende miljøer, påvirker vi fremtidige generasjoner av denne maisstammen. Dessuten, embryovalg hos mennesker kan ligne kunstig seleksjon, noe som gir oss muligheten til å styre utseendet til menneskelige egenskaper i fremtidige populasjoner. Generelt kan overivrige anvendelser av disse teknologiene være drevet av en slags genetisk determinisme - det naive synet om at de meningsfulle forskjellene mellom organismer i en populasjon kan forklares (for det meste) av deres genetiske sammensetning.

Skulle vi noen gang prøve å naivt styre evolusjon hos mennesker og andre organismer over en lengre tidsskala, ville vi blitt offer for en slags evolusjonær determinisme, som sier at vi kan og bør ha full kontroll over hvordan livet utvikler seg i fremtiden. Til syvende og sist er disse ambisjonene feilplassert. De undervurderer luringen av biologisk evolusjon - vanskeligheten med å vurdere alle kreftene som former hvordan livet fungerer og blomstrer. Noen kan tenke seg at kunstig intelligens kan bidra til å løse disse usikkerhetsmomentene. Men AI er ikke et universalmiddel for uvitenhet. Det er mest effektivt når vi allerede forstår varighetene i systemet som vi prøver å modellere og forutsi. Evolusjonsbiologi oppfyller ikke helt denne standarden - i hvert fall ikke ennå.

Vi kan (og bør) samtidig støte på ambisjonene til moderne biologi og ha sinnets nærvær for å gjenkjenne våre grenser. For eksempel eugenikk bevegelse antydet at menneskeslekten kunne forbedres ved å bruke den slags metoder som ga oss tamme dyr og avlinger. Vi forstår nå at det både var bigott og basert på dårlig biologi. Eksempler som disse er advarende historier, og de burde lære oss at uforsiktige forsøk på å kontrollere stormkrefter som evolusjon er nødt til å mislykkes.

Quanta gjennomfører en serie undersøkelser for å tjene publikum bedre. Ta vår biologi leserundersøkelse og du vil bli registrert for å vinne gratis Quanta handelsvarer.