Novo prizadevanje za nadzor evolucije | Revija Quanta

Evolucija je zapletena stvar. Velik del sodobne evolucijske biologije si prizadeva uskladiti navidezno naključnost sil, ki stojijo za procesom - na primer, kako pride do mutacij - s temeljnimi načeli, ki veljajo v celotni biosferi. Generacije biologov so upale, da bodo razumele razvojno rimo in dovolj razlogov, da bodo lahko napovedale, kako se bo to zgodilo.

Toda medtem ko napovedovanje ostaja vreden cilj, se znanstveniki zdaj osredotočajo na njegovega veliko bolj ambicioznega bratranca: nadzor nad tem, kako se zgodi.

Morda se to sliši kot znanstvena fantastika, a največji primeri tega prizadevanja živijo v naši preteklosti. Razmislite o procesu umetne selekcije, izraza, ki ga je skoval Charles Darwin: pred tisočletji so ljudje začeli identificirati rastline in živali z prednostnimi lastnostmi in jih selektivno vzrejati, kar je okrepilo te lastnosti pri njihovih potomcih. Ta pristop nam je dal kmetijstvo, enega najbolj transformativnih kulturnih izumov v človeški zgodovini. Kasneje umetna selekcija pri živalih in rastline so nam pomagale razumeti genetiko in kako se geni razvijajo v populacijah. Toda ne glede na učinkovitost umetne selekcije je še vedno dokaj omejena.

To se razlikuje od naravne selekcije, sile, ki poganja prilagodljivo evolucijo na Zemlji, kjer ni nobenega namernega akterja, ki bi izbiral. Izbirni akter ni človeški rejec, temveč narava sama, ki izbere variante z najvišjo »kondicijo« – tiste z največjo verjetnostjo preživetja in ustvarjanja zdravih potomcev. In ko narava izbira, je rezultate težko napovedati.

Zdaj biologi upajo, da bodo narekovali, kako poteka evolucija na molekularni ravni, in izvajali toliko neposrednega nadzora nad procesom razmnoževanja, kot ga izvajamo pri pridelkih. Ali lahko orkestriramo evolucijo, mutacijo za mutacijo, do katerega koli rezultata, ki nam je ljubši? 

Presenetljivo je, da smo že delno tam. The Nobelova nagrada za kemijo 2018 priznano delo na metodi, imenovani usmerjena evolucija, ki znanstvenikom omogoča inženiring novih biomolekul. Ena od zmagovalcev, Frances Arnold, je uvedla način, kako mutirati beljakovine v laboratoriju in nato izmeriti njihovo funkcionalnost – recimo, kako dobro encim presnavlja sladkor. Nato je možno izolirati proteinske kandidate, ki nas zanimajo, jih mutirati in nadalje izbrati, dokler ne ustvarimo proteina z izboljšano funkcijo (v tem primeru encim, ki zelo učinkovito presnavlja sladkor). V tem smislu kemiki delujejo kot rejci psov, vendar se ne zanašajo na spolno razmnoževanje za ustvarjanje beljakovinskih potomcev. Namesto tega ustvarjajo raznoliko populacijo beljakovin in merijo njihove lastnosti v samo nekaj urah. In z izbiro tega, kar hočejo, nadzorujejo, kako poteka evolucija.

Iz tega primera postaja jasno, da je za nadzorovanje evolucije – njeno usmerjanje k določenim rezultatom – potrebno znanje o tem, kako se bo evolucija zgodila, skupaj s tehnologijo za posredovanje. Tako lahko o problemu razmišljamo skozi lečo preproste enačbe: nadzor = napoved + inženiring.

Ta nadzor je lahko bolj subtilen kot Arnoldov pristop. ena 2015 študija predlagal uporabo antibiotikov v določenem vrstnem redu, da bi razvoj odvrnil od ustvarjanja na antibiotike odpornih patogenov. In nekaj podobnega se dogaja pri zdravljenju raka: onkologi poskušajo izkoristiti naše molekularno razumevanje raka usmerja rakave celice dovzetnost za določena zdravila. To je mogoče, ker vemo, da ko rakava celica razvije odpornost na eno zdravilo, lahko postane bolj dovzetna za druga. Ta pojem "kolateralne občutljivosti" temelji na temeljnih načelih kompromisov v bioloških sistemih: na splošno v evoluciji ni "brezplačnega kosila" in prilagajanje pogosto prinaša stroške.

V novejšem delu so znanstveniki te pristope posplošili. Z uporabo idej iz kvantne fizike, multidisciplinarna ekipa (vključno z zdravniki, računalničarji in fiziki) uporabil metodo imenujemo protidiabatna vožnja za preusmeritev populacije k vnaprej določenim ciljem. Na primer okužbe z nekaterimi sevi zajedavci malarije jih je lažje zdraviti kot druge. Raziskovalci bi lahko poskusili "pripeljati" populacije parazitov proti sevom, ki jih je lažje zdraviti.

Podobne ideje se uporabljajo za druge sisteme, kot je mikrobiom, kjer evolucijski biologi zdaj uporabljajo usmerjeno evolucijo za nadzor mikrobne skupnosti kot tiste, ki živijo na naši koži in v črevesju. Da bi to naredili, uporabljajo znanje o tem, kako določeni mikrobi medsebojno delujejo, skupaj z novimi mikrobnimi tehnikami, ki nam omogočajo vnašanje mikrobov v populacijo drugih mikrobov. Upamo, da bomo lahko uporabili to znanje, da bomo nekega dne usmerili sestavo mikrobioma v tisto, ki bo povezana z izboljšanimi zdravstvenimi rezultati.

Ti preboji kažejo, da je v neki obliki evolucijski nadzor stvar sedanjosti in ne prihodnosti. Toda večina uspešnih primerov se je zgodila v majhnem številu okolij: mikrobi, mikrobne skupnosti in beljakovine. In še več, obstoječa prizadevanja se osredotočajo na nadzor v kratkih časovnih obdobjih - noben razumen znanstvenik ne trdi, da bi lahko nadzoroval molekularno evolucijo, ki deluje skozi desetletja ali stoletja (zunaj umetne selekcije, ki je potekala skozi tisočletja). Pravi nadzor nad evolucijskim procesom ostaja strogo omejen z našim trenutnim znanjem in orodji.

Čeprav tehnični izzivi evolucijskega nadzora ostajajo precejšnji, so opazne tudi etične ovire. Težave se prekrivajo s tistimi okoli gensko spremenjenih organizmov. Ko ustvarimo mutacijo v sorti koruze, ki daje sposobnost rasti tudi v stresnih okoljih, vplivamo na prihodnje generacije te sorte koruze. Poleg tega izbor zarodkov pri ljudeh lahko spominja na umetno selekcijo, kar nam daje možnost, da usmerjamo videz človeških lastnosti v prihodnjih populacijah. Na splošno lahko pretirano uporabo teh tehnologij vodi nekakšen genetski determinizem - naivno mnenje, da je mogoče pomembne razlike med organizmi znotraj populacije razložiti (večinoma) z njihovo genetsko sestavo.

Če bi kdaj poskušali naivno usmerjati evolucijo pri ljudeh in drugih organizmih v daljšem časovnem obdobju, bi postali žrtev nekakšnega evolucijskega determinizma, ki trdi, da lahko in moramo imeti popoln nadzor nad tem, kako se življenje razvija v prihodnosti. Navsezadnje so te ambicije napačne. Podcenjujejo muhavost biološke evolucije – težavo pri upoštevanju vseh sil, ki oblikujejo delovanje in razcvet življenja. Nekateri si lahko predstavljajo, da lahko umetna inteligenca pomaga razrešiti te negotovosti. Vendar AI ni zdravilo za nevednost. Najbolj učinkovito je, ko že razumemo muhe sistema, ki ga poskušamo modelirati in napovedati. Evolucijska biologija ne izpolnjuje popolnoma tega standarda - vsaj še ne.

Lahko (in bi morali) hkrati hlastati nad ambicioznostjo sodobne biologije in imeti prisotnost duha, da prepoznamo svoje meje. Na primer, evgeniki gibanje je predlagalo, da bi človeško raso lahko izboljšali z uporabo metod, ki so nam dale udomačene živali in pridelke. Zdaj razumemo, da je bil nenavaden in temelji na slabi biologiji. Takšni primeri so svarilne zgodbe in bi nas morale naučiti, da neprevidni poskusi nadzora nad viharnimi silami, kot je evolucija, zagotovo ne uspejo.

Quanta izvaja vrsto anket, da bi bolje služil svojemu občinstvu. Vzemite našo anketa bralcev biologije in vključeni boste v brezplačno zmago Quanta trgovsko blago.