ภารกิจใหม่เพื่อควบคุมวิวัฒนาการ | นิตยสารควอนต้า

วิวัฒนาการเป็นสิ่งที่ซับซ้อน ชีววิทยาวิวัฒนาการสมัยใหม่ส่วนใหญ่พยายามที่จะปรับสมดุลที่ดูเหมือนสุ่มของพลังที่อยู่เบื้องหลังกระบวนการ เช่น การกลายพันธุ์เกิดขึ้นได้อย่างไร กับหลักการพื้นฐานที่ใช้ทั่วทั้งชีวมณฑล นักชีววิทยาหลายรุ่นหวังว่าจะเข้าใจสัมผัสและเหตุผลของวิวัฒนาการมากพอที่จะคาดเดาได้ว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไร

แม้ว่าการคาดการณ์ยังคงเป็นเป้าหมายที่คุ้มค่า แต่ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังมุ่งเน้นไปที่ลูกพี่ลูกน้องที่มีความทะเยอทะยานมากกว่า: ควบคุมว่าจะเกิดขึ้นได้อย่างไร

นี่อาจฟังดูเหมือนนิยายวิทยาศาสตร์ แต่ตัวอย่างที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของความพยายามนี้ยังคงอยู่ในอดีตของเรา ลองพิจารณากระบวนการคัดเลือกโดยมนุษย์ ซึ่งเป็นคำที่ชาร์ลส ดาร์วินบัญญัติไว้: เมื่อหลายพันปีก่อน มนุษย์เริ่มระบุพืชและสัตว์ที่มีลักษณะเฉพาะที่ดีกว่าและคัดเลือกผสมพันธุ์พวกมัน ซึ่งขยายลักษณะเหล่านี้ในลูกหลานของมัน แนวทางนี้ทำให้เราเกษตรกรรม ซึ่งเป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ทางวัฒนธรรมที่เปลี่ยนแปลงได้มากที่สุดในประวัติศาสตร์ของมนุษย์ ต่อมาได้คัดเลือกเทียม ในสัตว์ และพืชช่วยให้เราเข้าใจพันธุศาสตร์ และวิวัฒนาการของยีนในประชากรได้อย่างไร แต่ถึงจะมีประสิทธิภาพเหมือนเช่นเคย การคัดเลือกโดยธรรมชาติก็ยังค่อนข้างจำกัด

สิ่งนี้แตกต่างจากการคัดเลือกโดยธรรมชาติ ซึ่งเป็นพลังที่ขับเคลื่อนวิวัฒนาการแบบปรับตัวบนโลก ซึ่งไม่มีนักแสดงโดยเจตนาทำการคัดเลือก นักแสดงที่ได้รับการคัดเลือกไม่ใช่ผู้เพาะพันธุ์มนุษย์ แต่โดยธรรมชาติเอง ซึ่งเป็นผู้คัดเลือกสายพันธุ์ที่มี "ความเหมาะสม" สูงสุด — สายพันธุ์ที่มีโอกาสรอดชีวิตและให้กำเนิดลูกหลานที่มีสุขภาพดีมากที่สุด และเมื่อธรรมชาติเป็นผู้คัดเลือก ผลลัพธ์ก็อาจคาดเดาได้ยาก

ปัจจุบันนักชีววิทยาหวังว่าจะกำหนดได้ว่าวิวัฒนาการเกิดขึ้นได้อย่างไรในระดับโมเลกุล และพยายามควบคุมกระบวนการสืบพันธุ์โดยตรงมากเท่ากับที่เราทำในพืชผล เราสามารถจัดเตรียมวิวัฒนาการ การกลายพันธุ์ต่อการกลายพันธุ์ ไปสู่ผลลัพธ์ใดก็ตามที่เราต้องการได้หรือไม่? 

เป็นที่น่าสังเกตว่าเราได้ไปถึงจุดนั้นแล้ว ที่ 2018 รางวัลโนเบลสาขาเคมี ผลงานที่ได้รับการยอมรับเกี่ยวกับวิธีการที่เรียกว่าวิวัฒนาการโดยตรงซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างชีวโมเลกุลใหม่ๆ ได้ ฟรานเซส อาร์โนลด์ หนึ่งในผู้ชนะ เป็นผู้บุกเบิกวิธีการกลายพันธุ์โปรตีนในห้องปฏิบัติการ จากนั้นจึงวัดการทำงานของโปรตีน เช่น เอนไซม์เผาผลาญน้ำตาลได้ดีเพียงใด จากนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะแยกโปรตีนที่สนใจ กลายพันธุ์ และเลือกเพิ่มเติม จนกว่าเราจะสร้างโปรตีนที่มีการทำงานที่ดีขึ้น (ในกรณีนี้คือเอนไซม์ที่เผาผลาญน้ำตาลได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก) ในแง่นี้ นักเคมีก็ดำเนินงานเหมือนคนเพาะพันธุ์สุนัข แต่ไม่ต้องพึ่งพาการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศเพื่อสร้างลูกหลานที่เป็นโปรตีน แต่พวกเขากำลังสร้างประชากรโปรตีนที่หลากหลายและวัดคุณสมบัติของโปรตีนได้ในเวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมง และด้วยการเลือกสิ่งที่พวกเขาต้องการ พวกเขากำลังควบคุมว่าวิวัฒนาการจะเกิดขึ้นได้อย่างไร

จากตัวอย่างนี้ เห็นได้ชัดว่าการควบคุมวิวัฒนาการซึ่งนำไปสู่ผลลัพธ์บางอย่างนั้น ต้องใช้ความรู้ว่าวิวัฒนาการจะเกิดขึ้นได้อย่างไร ควบคู่ไปกับเทคโนโลยีที่จะเข้ามาแทรกแซง ดังนั้นเราจึงสามารถคิดถึงปัญหาผ่านสมการง่ายๆ: การควบคุม = การทำนาย + วิศวกรรม

การควบคุมนี้อาจละเอียดอ่อนกว่าแนวทางของอาร์โนลด์ หนึ่ง การศึกษา 2015 แนะนำให้ใช้ยาปฏิชีวนะตามลำดับเพื่อหลีกเลี่ยงการวิวัฒนาการจากการสร้างเชื้อโรคที่ดื้อยาปฏิชีวนะ และมีสิ่งที่คล้ายกันเกิดขึ้นกับการรักษามะเร็ง แพทย์ด้านเนื้องอกวิทยากำลังพยายามยกระดับความเข้าใจระดับโมเลกุลของเราเกี่ยวกับมะเร็ง คัดท้ายเซลล์มะเร็ง ต่อความไวต่อยาบางชนิด สิ่งนี้เป็นไปได้เพราะเรารู้ว่าเมื่อเซลล์มะเร็งพัฒนาความต้านทานต่อยาตัวหนึ่ง เซลล์ก็อาจจะไวต่อยาตัวอื่นมากขึ้น แนวคิดเรื่อง "ความอ่อนไหวของหลักประกัน" นี้ตั้งอยู่บนหลักการพื้นฐานของการแลกเปลี่ยนในระบบทางชีววิทยา โดยทั่วไป ไม่มี "อาหารกลางวันฟรี" ในวิวัฒนาการ และการปรับตัวมักมาพร้อมกับค่าใช้จ่าย

ในงานล่าสุด นักวิทยาศาสตร์ได้สรุปแนวทางเหล่านี้ การใช้แนวคิดจากฟิสิกส์ควอนตัม โดยทีมงานสหสาขาวิชาชีพ (รวมถึงแพทย์ นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ และนักฟิสิกส์) ใช้วิธีการ เรียกว่าการขับเคลื่อนแบบต่อต้านเบาหวานเพื่อเปลี่ยนประชากรไปสู่เป้าหมายที่กำหนดไว้ล่วงหน้า เช่น การติดเชื้อจากเชื้อบางสายพันธุ์ ปรสิตมาลาเรีย รักษาได้ง่ายกว่าคนอื่นๆ นักวิจัยอาจพยายาม "ขับเคลื่อน" ประชากรปรสิตไปสู่สายพันธุ์ที่สามารถรักษาได้ง่ายกว่า

แนวคิดที่คล้ายกันนี้กำลังถูกนำไปใช้กับระบบอื่นๆ เช่น ไมโครไบโอม ซึ่งนักชีววิทยาด้านวิวัฒนาการกำลังใช้วิวัฒนาการโดยตรงในการควบคุม ชุมชนจุลินทรีย์ เช่นเดียวกับสิ่งที่อาศัยอยู่บนผิวหนังของเราและในลำไส้ของเรา ในการทำเช่นนี้ พวกเขาใช้ความรู้ว่าจุลินทรีย์บางชนิดมีปฏิกิริยาต่อกันอย่างไร ควบคู่ไปกับเทคนิคจุลินทรีย์ใหม่ๆ ที่ช่วยให้เราสามารถแนะนำจุลินทรีย์เข้าสู่ประชากรของจุลินทรีย์อื่นๆ ได้ ความหวังก็คือเราสามารถใช้ความรู้นี้ในวันหนึ่งเพื่อควบคุมองค์ประกอบของไมโครไบโอมให้เข้ากับผลลัพธ์ด้านสุขภาพที่ดีขึ้น

ความก้าวหน้าเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าในบางรูปแบบ การควบคุมเชิงวิวัฒนาการเป็นเรื่องของปัจจุบัน ไม่ใช่อนาคต แต่ตัวอย่างที่ประสบความสำเร็จส่วนใหญ่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมจำนวนไม่มาก ได้แก่ จุลินทรีย์ ชุมชนจุลินทรีย์ และโปรตีน และยิ่งไปกว่านั้น ความพยายามที่มีอยู่มุ่งเน้นไปที่การควบคุมในช่วงเวลาอันสั้น ไม่มีนักวิทยาศาสตร์ที่สมเหตุสมผลคนใดอ้างว่าสามารถควบคุมวิวัฒนาการของโมเลกุลที่เกิดขึ้นในช่วงหลายทศวรรษหรือหลายศตวรรษได้ (นอกเหนือจากการคัดเลือกโดยธรรมชาติที่เกิดขึ้นมานานนับพันปี) การควบคุมกระบวนการวิวัฒนาการอย่างแท้จริงยังคงถูกจำกัดอย่างเข้มงวดโดยความรู้และเครื่องมือในปัจจุบันของเรา

แม้ว่าความท้าทายด้านเทคนิคของการควบคุมเชิงวิวัฒนาการยังคงมีอยู่อย่างมาก แต่อุปสรรคด้านจริยธรรมก็มีความโดดเด่นเช่นกัน ประเด็นนี้คาบเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม เมื่อเราออกแบบการกลายพันธุ์ไปเป็นสายพันธุ์ข้าวโพดที่ให้ความสามารถในการเติบโตแม้ในสภาพแวดล้อมที่ตึงเครียด เราก็มีอิทธิพลต่อข้าวโพดสายพันธุ์นั้นรุ่นต่อๆ ไป นอกจากนี้, การคัดเลือกตัวอ่อน ในมนุษย์อาจคล้ายคลึงกับการคัดเลือกโดยธรรมชาติ ทำให้เราสามารถควบคุมลักษณะที่ปรากฏของลักษณะของมนุษย์ในประชากรในอนาคตได้ โดยทั่วไป การใช้งานเทคโนโลยีเหล่านี้อย่างกระตือรือร้นมากเกินไปสามารถขับเคลื่อนได้ด้วยการกำหนดระดับทางพันธุกรรม โดยที่มุมมองที่ไร้เดียงสาที่ว่าความแตกต่างที่มีนัยสำคัญระหว่างสิ่งมีชีวิตภายในประชากรสามารถอธิบายได้ (ส่วนใหญ่) จากการแต่งเติมทางพันธุกรรมของพวกมัน

หากเราพยายามควบคุมวิวัฒนาการในมนุษย์และสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ อย่างไร้เดียงสาในช่วงเวลาที่นานกว่านี้ เราจะตกเป็นเหยื่อของลัทธิกำหนดระดับวิวัฒนาการ ซึ่งถือว่าเราสามารถและควรควบคุมวิธีที่ชีวิตวิวัฒนาการในอนาคตได้อย่างเต็มที่ ในที่สุดความทะเยอทะยานเหล่านี้ก็หายไป พวกเขาดูถูกดูแคลนการเปลี่ยนแปลงทางชีววิทยา - ความยากลำบากในการพิจารณาพลังทั้งหมดที่เป็นตัวกำหนดวิธีการทำงานของชีวิตและความเจริญรุ่งเรือง บางคนอาจจินตนาการว่าปัญญาประดิษฐ์สามารถช่วยแก้ไขความไม่แน่นอนเหล่านี้ได้ แต่ AI ไม่ใช่ยาครอบจักรวาลสำหรับความไม่รู้ จะมีประสิทธิภาพมากที่สุดเมื่อเราเข้าใจความแตกต่างของระบบที่เราพยายามสร้างแบบจำลองและคาดการณ์แล้ว ชีววิทยาเชิงวิวัฒนาการยังไม่เป็นไปตามมาตรฐานนี้ อย่างน้อยก็ยังไม่ได้มาตรฐานนี้

เราสามารถ (และควร) ทะยานสู่ความทะเยอทะยานของชีววิทยาสมัยใหม่ไปพร้อมๆ กัน และมีจิตใจที่จะรับรู้ขีดจำกัดของเรา ตัวอย่างเช่น วิชาเกี่ยวกับการทำให้ลักษณะทางพันธุ์ดขึ้นี การเคลื่อนไหวชี้ให้เห็นว่าเผ่าพันธุ์มนุษย์สามารถปรับปรุงได้โดยใช้วิธีการประเภทต่างๆ ที่ให้สัตว์และพืชผลในบ้านเรา ตอนนี้เราเข้าใจแล้วว่ามันเป็นเรื่องที่คนหัวแข็งและขึ้นอยู่กับชีววิทยาที่ไม่ดี ตัวอย่างเหล่านี้เป็นนิทานเตือนใจ และควรสอนเราว่าความพยายามที่จะควบคุมกองกำลังอันปั่นป่วนอย่างวิวัฒนาการอย่างไม่ระมัดระวังจะล้มเหลวอย่างแน่นอน

ควอนตั้ม กำลังดำเนินการสำรวจชุดต่างๆ เพื่อให้บริการผู้ชมของเราได้ดียิ่งขึ้น เอาของเรา แบบสำรวจผู้อ่านชีววิทยา และคุณจะถูกป้อนเพื่อรับรางวัลฟรี ควอนตั้ม สินค้า.