Noua căutare pentru a controla evoluția | Revista Quanta

Evoluția este un lucru complicat. O mare parte din biologia evoluționistă modernă încearcă să reconcilieze aparentul aleatoriu al forțelor din spatele procesului - cum apar mutațiile, de exemplu - cu principiile fundamentale care se aplică în întreaga biosferă. Generații de biologi au sperat să înțeleagă rima și motivul evoluției suficient pentru a putea prezice cum se întâmplă.

Dar, în timp ce predicția rămâne un obiectiv demn, oamenii de știință se concentrează acum pe vărul său mult mai ambițios: controlul asupra modului în care se întâmplă.

Acest lucru poate suna a ficțiune științifico-fantastică, dar cele mai mari exemple ale efortului trăiesc în trecutul nostru. Luați în considerare procesul de selecție artificială, un termen inventat de Charles Darwin: Cu mii de ani în urmă, oamenii au început să identifice plante și animale cu trăsături preferate și să le reproducă selectiv, ceea ce a amplificat aceste trăsături la descendenții lor. Această abordare ne-a oferit agricultura, una dintre cele mai transformatoare invenții culturale din istoria omenirii. Mai târziu, selecția artificială la animale iar plantele ne-au ajutat să înțelegem genetica și modul în care genele evoluează în populații. Dar, pe cât de eficientă a fost, selecția artificială este încă destul de limitată.

Aceasta este diferită de selecția naturală, forța care conduce evoluția adaptivă pe Pământ, unde nu există niciun actor intenționat care să facă selecția. Actorul care selectează nu este un crescător uman, ci natura însăși, care selectează variantele cu cea mai mare „fitness” - cele cu cea mai mare șansă de a supraviețui și de a produce urmași sănătoși. Și când natura selectează, rezultatele pot fi dificil de prezis.

Acum, biologii speră să dicteze cum se întâmplă evoluția la nivel molecular și să exercite la fel de mult control direct asupra procesului de reproducere ca și în cazul culturilor. Putem orchestra evoluția, mutație cu mutație, spre orice rezultat preferăm? 

În mod remarcabil, suntem deja pe jumătate acolo. The 2018 Premiul Nobel pentru chimie lucru recunoscut la o metodă numită evoluție direcționată, care permite oamenilor de știință să creeze noi biomolecule. Unul dintre câștigători, Frances Arnold, a inventat o modalitate de a muta proteinele în laborator și apoi de a măsura funcționalitatea acestora - să zicem, cât de bine metabolizează o enzimă zahărul. Este apoi posibil să izolam proteinele candidate de interes, să le mutam și să selectăm în continuare, până când vom genera o proteină cu funcție îmbunătățită (în acest caz, o enzimă care metabolizează zahărul foarte eficient). În acest sens, chimiștii funcționează ca crescătorii de câini, dar fără să se bazeze pe reproducerea sexuală pentru a genera descendenții proteici. Mai degrabă, ele generează o populație diversă de proteine ​​și își măsoară proprietățile în doar câteva ore. Și selectând ceea ce doresc, ei controlează modul în care se întâmplă evoluția.

Din acest exemplu, devine clar că controlul evoluției – direcționarea ei către anumite rezultate – necesită cunoașterea modului în care se va întâmpla evoluția, împreună cu tehnologia de intervenție. Deci ne putem gândi la problemă prin prisma unei ecuații simple: Control = predicție + inginerie.

Acest control poate fi mai subtil decât abordarea lui Arnold. unu 2015 studiu a sugerat folosirea antibioticelor într-o anumită ordine pentru a îndepărta evoluția de la crearea de agenți patogeni rezistenți la antibiotice. Și ceva similar se întâmplă cu tratamentul cancerului: oncologii încearcă să profite de înțelegerea noastră moleculară a cancerului pentru a conduce celulele canceroase faţă de susceptibilitatea la anumite medicamente. Acest lucru este posibil deoarece știm că atunci când o celulă canceroasă dezvoltă rezistență la un medicament, ar putea deveni mai susceptibilă la altele. Această noțiune de „sensibilitate colaterală” se bazează pe principiile fundamentale ale compromisurilor în sistemele biologice: în general, nu există „pranz gratuit” în evoluție, iar adaptarea vine adesea cu costuri.

În lucrări mai recente, oamenii de știință au generalizat aceste abordări. Folosind idei din fizica cuantică, o echipă multidisciplinară (inclusiv medici, informaticieni și fizicieni) a aplicat o metodă numită conducere contradiabatică pentru a deplasa populațiile către scopuri predeterminate. De exemplu, infecțiile de la unele tulpini de paraziți de malarie sunt mai ușor de tratat decât alții. Cercetătorii ar putea încerca să „conducă” populațiile de paraziți către tulpinile mai ușor de tratat.

Idei similare sunt aplicate altor sisteme, cum ar fi microbiomul, unde biologii evoluționari folosesc acum evoluția direcționată pentru a controla comunități microbiene precum cele care trăiesc pe pielea noastră și în intestinele noastre. Pentru a face acest lucru, ei folosesc cunoștințele despre modul în care anumiți microbi interacționează între ei, împreună cu noi tehnici microbiene care ne permit să introducem microbi într-o populație de alți microbi. Speranța este că putem folosi aceste cunoștințe pentru a direcționa într-o zi compoziția microbiomului către una asociată cu rezultate îmbunătățite pentru sănătate.

Aceste descoperiri demonstrează că, într-o anumită formă, controlul evolutiv este un lucru al prezentului, nu al viitorului. Dar cele mai multe exemple de succes au avut loc într-un număr mic de setari: microbi, comunități microbiene și proteine. Și chiar mai mult, eforturile existente se concentrează pe controlul pe perioade scurte de timp - niciun om de știință rezonabil nu pretinde să fie capabil să controleze evoluția moleculară care acționează de-a lungul deceniilor sau secolelor (în afara selecției artificiale care a avut loc de-a lungul mileniilor). Controlul adevărat asupra procesului evolutiv rămâne strict limitat de cunoștințele și instrumentele noastre actuale.

În timp ce provocările tehnice ale controlului evolutiv rămân substanțiale, barierele etice sunt de asemenea notabile. Problemele se suprapun cu cele din jurul organismelor modificate genetic. Când proiectăm o mutație într-o tulpină de porumb care conferă capacitatea de a crește chiar și în medii stresante, influențăm generațiile viitoare ale acelei tulpini de porumb. În plus, selecția embrionilor la oameni poate semăna cu selecția artificială, dându-ne capacitatea de a direcționa aspectul trăsăturilor umane în populațiile viitoare. În general, aplicațiile prea zeloase ale acestor tehnologii pot fi conduse de un fel de determinism genetic - concepția naivă conform căreia diferențele semnificative dintre organismele dintr-o populație pot fi explicate (în cea mai mare parte) prin structura lor genetică.

Dacă am încerca vreodată să conducem naiv evoluția oamenilor și a altor organisme pe o scală de timp mai lungă, am fi victima unui fel de determinism evolutiv, care susține că putem și ar trebui să avem control deplin asupra modului în care evoluează viața în viitor. În cele din urmă, aceste ambiții sunt deplasate. Ei subestimează capriciul evoluției biologice - dificultatea de a lua în considerare toate forțele care modelează modul în care funcționează și înflorește viața. Unii își pot imagina că inteligența artificială poate ajuta la rezolvarea acestor incertitudini. Dar AI nu este un panaceu pentru ignoranță. Este cel mai eficient atunci când înțelegem deja capriciile sistemului pe care încercăm să-l modelăm și să-l anticipăm. Biologia evoluționistă nu întrunește tocmai acest standard - cel puțin nu încă.

Putem (și ar trebui) să țâșnim simultan ambiția biologiei moderne și să avem prezența minții pentru a ne recunoaște limitele. De exemplu, cel eugenie mișcarea a sugerat că rasa umană ar putea fi îmbunătățită folosind tipurile de metode care ne-au dat animale domestice și culturi. Înțelegem acum că a fost atât bigot, cât și bazat pe biologie proastă. Exemple ca acestea sunt povești de avertisment și ar trebui să ne învețe că încercările neglijente de a controla forțele furtunoase precum evoluția vor eșua.

Cuante efectuează o serie de sondaje pentru a servi mai bine publicul nostru. Ia-ne sondaj cititor de biologie și vei fi înscris pentru a câștiga gratuit Cuante mărfuri.