Nowe dążenie do kontrolowania ewolucji | Magazyn Quanta

Ewolucja to skomplikowana sprawa. Duża część współczesnej biologii ewolucyjnej stara się pogodzić pozorną przypadkowość sił stojących za tym procesem – na przykład tego, jak zachodzą mutacje – z podstawowymi zasadami obowiązującymi w całej biosferze. Pokolenia biologów miały nadzieję zrozumieć rytm ewolucji i wystarczające powody, aby móc przewidzieć, jak to się dzieje.

Chociaż przewidywanie pozostaje godnym celem, naukowcy skupiają się obecnie na jego znacznie ambitniejszym kuzynie: kontroli nad tym, jak to się dzieje.

Może to brzmieć jak science fiction, ale najlepsze przykłady tego przedsięwzięcia pochodzą z naszej przeszłości. Rozważmy proces sztucznej selekcji, termin ukuty przez Karola Darwina: Tysiące lat temu ludzie zaczęli identyfikować rośliny i zwierzęta o preferowanych cechach i selektywnie je hodować, co wzmacniało te cechy u ich potomstwa. Dzięki takiemu podejściu rolnictwo stało się jednym z najbardziej rewolucyjnych wynalazków kulturowych w historii ludzkości. Później sztuczna selekcja u zwierząt i rośliny pomogły nam zrozumieć genetykę i ewolucję genów w populacjach. Jednak choć dotychczas skuteczna, sztuczna selekcja jest nadal dość ograniczona.

Różni się to od doboru naturalnego, siły napędzającej ewolucję adaptacyjną na Ziemi, gdzie selekcji nie dokonuje żaden zamierzony aktor. Aktorem selekcjonującym nie jest hodowca ludzi, ale sama natura, która wybiera warianty o najwyższej „sprawności” – te z największym prawdopodobieństwem przeżycia i wydania zdrowego potomstwa. A kiedy natura dokonuje selekcji, wyniki mogą być trudne do przewidzenia.

Biolodzy mają nadzieję teraz dyktować, jak przebiega ewolucja na poziomie molekularnym i sprawować bezpośrednią kontrolę nad procesem reprodukcji w takim samym stopniu, jak w przypadku upraw. Czy możemy zaaranżować ewolucję, mutacja za mutacją, w kierunku preferowanego przez nas wyniku? 

Co ciekawe, jesteśmy już w połowie tego osiągnięcia. The 2018 Nagroda Nobla w dziedzinie chemii docenione prace nad metodą zwaną ewolucją ukierunkowaną, która umożliwia naukowcom konstruowanie nowych biomolekuł. Jedna ze zwycięzców, Frances Arnold, była pionierką sposobu mutowania białek w laboratorium, a następnie pomiaru ich funkcjonalności – powiedzmy, jak dobrze enzym metabolizuje cukier. Można wówczas wyizolować interesujące białka, zmutować je i poddać dalszej selekcji, aż do wygenerowania białka o ulepszonej funkcji (w tym przypadku enzymu, który bardzo efektywnie metabolizuje cukier). W tym sensie chemicy działają jak hodowcy psów, ale nie polegają na rozmnażaniu płciowym w celu wytworzenia potomstwa białkowego. Zamiast tego generują zróżnicowaną populację białek i mierzą ich właściwości w ciągu zaledwie kilku godzin. A wybierając to, czego chcą, kontrolują przebieg ewolucji.

Z tego przykładu staje się jasne, że kontrolowanie ewolucji – kierowanie jej w kierunku określonych wyników – wymaga wiedzy o tym, jak ewolucja będzie przebiegać, wraz z technologią niezbędną do interwencji. Możemy więc spojrzeć na problem przez pryzmat prostego równania: kontrola = przewidywanie + inżynieria.

Ta kontrola może być bardziej subtelna niż podejście Arnolda. Jeden Badanie 2015 zasugerował stosowanie antybiotyków w określonej kolejności, aby odwrócić ewolucję od tworzenia patogenów opornych na antybiotyki. Coś podobnego dzieje się z leczeniem raka: onkolodzy próbują wykorzystać naszą molekularną wiedzę na temat raka sterować komórkami nowotworowymi w kierunku wrażliwości na niektóre leki. Jest to możliwe, ponieważ wiemy, że kiedy komórka nowotworowa rozwinie oporność na jeden lek, może stać się bardziej podatna na inne. To pojęcie „wrażliwości dodatkowej” opiera się na podstawowych zasadach kompromisów w systemach biologicznych: ogólnie rzecz biorąc, w ewolucji nie ma „darmowego lunchu”, a adaptacja często wiąże się z kosztami.

W nowszych pracach naukowcy uogólnili te podejścia. Wykorzystując pomysły z fizyki kwantowej, multidyscyplinarny zespół (w skład którego wchodzą lekarze, informatycy i fizycy) zastosował metodę zwane kierowaniem przeciwdiabatycznym, mającym na celu przesunięcie populacji w kierunku z góry określonych celów. Na przykład infekcje wywołane niektórymi szczepami pasożyty malarii są łatwiejsze w leczeniu niż inne. Naukowcy mogą próbować „skierować” populacje pasożytów w stronę szczepów łatwiejszych do wyleczenia.

Podobne pomysły są stosowane w innych systemach, takich jak mikrobiom, w którym biolodzy ewolucyjni wykorzystują obecnie ukierunkowaną ewolucję do kontrolowania społeczności drobnoustrojów jak te, które żyją na naszej skórze i jelitach. W tym celu wykorzystują wiedzę o tym, jak określone drobnoustroje oddziałują ze sobą, a także nowe techniki mikrobiologiczne, które pozwalają nam wprowadzać drobnoustroje do populacji innych drobnoustrojów. Mamy nadzieję, że pewnego dnia będziemy mogli wykorzystać tę wiedzę, aby dostosować skład mikrobiomu do takiego, który będzie wiązał się z lepszymi wynikami zdrowotnymi.

Te przełomy pokazują, że w jakiejś formie kontrola ewolucyjna jest sprawą teraźniejszości, a nie przyszłości. Jednak najbardziej udane przykłady miały miejsce w niewielkiej liczbie środowisk: drobnoustrojów, zbiorowisk drobnoustrojów i białek. Co więcej, istniejące wysiłki koncentrują się na kontroli w krótkich okresach czasu — żaden rozsądny naukowiec nie twierdzi, że jest w stanie kontrolować ewolucję molekularną działającą przez dziesięciolecia lub stulecia (poza sztuczną selekcją, która miała miejsce przez tysiąclecia). Prawdziwa kontrola nad procesem ewolucyjnym pozostaje ściśle ograniczona naszą obecną wiedzą i narzędziami.

Choć techniczne wyzwania związane z kontrolą ewolucyjną pozostają znaczne, godne uwagi są także bariery etyczne. Zagadnienia te pokrywają się z zagadnieniami dotyczącymi organizmów genetycznie zmodyfikowanych. Kiedy projektujemy mutację w odmianie kukurydzy, która nadaje zdolność do wzrostu nawet w stresujących warunkach, wpływamy na przyszłe pokolenia tej odmiany kukurydzy. Ponadto, selekcja zarodków u ludzi może przypominać sztuczną selekcję, dając nam możliwość kontrolowania wyglądu ludzkich cech w przyszłych populacjach. Ogólnie rzecz biorąc, nadgorliwe stosowanie tych technologii może wynikać z pewnego rodzaju determinizmu genetycznego — naiwnego poglądu, że znaczące różnice między organizmami w populacji można wyjaśnić (głównie) ich strukturą genetyczną.

Gdybyśmy kiedykolwiek próbowali naiwnie sterować ewolucją ludzi i innych organizmów w dłuższej skali czasu, padlibyśmy ofiarą pewnego rodzaju ewolucyjnego determinizmu, który utrzymuje, że możemy i powinniśmy mieć pełną kontrolę nad ewolucją życia w przyszłości. Ostatecznie te ambicje są nieuzasadnione. Nie doceniają kaprysu ewolucji biologicznej – trudności w uwzględnieniu wszystkich sił, które kształtują funkcjonowanie i rozkwit życia. Niektórzy mogą sobie wyobrazić, że sztuczna inteligencja może pomóc w rozwiązaniu tych niepewności. Ale sztuczna inteligencja nie jest panaceum na ignorancję. Jest najskuteczniejsza, gdy już rozumiemy kaprysy systemu, który próbujemy modelować i przewidywać. Biologia ewolucyjna nie do końca spełnia ten standard – przynajmniej jeszcze nie.

Możemy (i powinniśmy) jednocześnie zachwycać się ambicjami współczesnej biologii i zachować przytomność umysłu, aby rozpoznać nasze ograniczenia. Na przykład eugenika ruch sugerował, że rasę ludzką można ulepszyć za pomocą metod, które dały nam udomowione zwierzęta i plony. Teraz rozumiemy, że było to zarówno bigoteryjne, jak i oparte na złej biologii. Tego typu przykłady są przestrogą i powinny nas nauczyć, że nieostrożne próby kontrolowania burzliwych sił, takich jak ewolucja, skazane są na niepowodzenie.

Quanta przeprowadza serię ankiet, aby lepiej służyć naszym odbiorcom. Weź nasze ankieta czytelnicza biologii i zostaniesz wpisany, aby wygrać za darmo Quanta towar.