Современные ученые не довольствуются прогнозированием эволюции жизни. Они хотят формировать ее.
Эволюция – сложная штука. Большая часть современной эволюционной биологии стремится примирить кажущуюся случайность сил, лежащих в основе этого процесса – например, как происходят мутации, – с фундаментальными принципами, которые действуют во всей биосфере. Поколения биологов надеялись постичь закономерность и причину эволюции настолько, чтобы иметь возможность предсказывать, как она происходит.
Но хотя прогнозирование само по себе остается вполне достойной целью, сейчас ученые сосредоточились на его гораздо более амбициозном направлении: контроле над тем, как это происходит.
Это может показаться научной фантастикой, но величайшие примеры такого подхода легко можно найти в нашем прошлом. Рассмотрим процесс искусственного отбора – термин, введенный Чарльзом Дарвином. Тысячи лет назад люди начали определять растения и животных с предпочтительными признаками и селекционировать их, чтобы усилить эти признаки в их потомстве. Такой подход дал нам сельское хозяйство, одно из самых преобразующих культурных изобретений в истории человечества. Позже искусственный отбор животных и растений помог нам понять генетику и то, как гены эволюционируют в популяциях. Но каким бы эффективным он ни был, искусственный отбор все еще довольно ограничен.
Он отличается от естественного отбора – силы, которая движет адаптивной эволюцией на Земле, где нет намеренного субъекта, осуществляющего отбор. Отбором занимается не человек-селекционер, а сама природа, которая отбирает варианты с наивысшей “приспособленностью” – те, которые с наибольшей вероятностью выживут и дадут здоровое потомство. Но когда отбор проводит природа, результат бывает трудно предсказать.
Теперь биологи надеются определить, как происходит эволюция на молекулярном уровне, и осуществлять такой же прямой контроль над репродуктивным процессом, как мы делаем это в сельскохозяйственных культурах.
Но сможем ли мы управлять эволюцией, мутация за мутацией, чтобы добиться желаемого результата?
Примечательно, что мы уже на полпути к этому. Нобелевская премия по химии 2018 года была присуждена за работу над методом направленной эволюции, который позволяет ученым создавать новые биомолекулы. Один из лауреатов, Фрэнсис Арнольд, разработал способ мутировать белки в лаборатории, а затем измерять их функциональность – скажем, насколько хорошо фермент метаболизирует сахар.
Затем можно выделить интересующие кандидатуры белков, мутировать их и отбирать дальше, пока не получится белок с улучшенной функцией (в данном случае фермент, который очень эффективно метаболизирует сахар). В этом смысле химики действуют подобно собаководам, только не полагаясь на половое размножение для получения белкового потомства. Вместо этого, они генерируют разнообразную популяцию белков и измеряют их свойства за считанные часы. А отбирая то, что им нужно, они контролируют ход эволюции.
Из этого примера становится ясно, что управление эволюцией – направление ее на определенные результаты – требует знания того, как будет происходить эволюция, а также технологий для вмешательства. Поэтому мы можем рассмотреть эту проблему через призму простого уравнения: контроль = прогнозирование + инженерия.
Этот контроль может быть более тонким, чем подход Арнольда. В одном из исследований 2015 года предлагалось использовать антибиотики в определенном порядке, чтобы увести эволюцию от создания устойчивых к антибиотикам патогенов. Нечто подобное происходит и с лечением рака: онкологи пытаются использовать наше молекулярное понимание рака, чтобы направить раковые клетки в сторону восприимчивости к определенным лекарствам.
И это возможно. Потому что мы знаем: когда раковая клетка вырабатывает устойчивость к одному препарату, она может стать более восприимчивой к другим. Это понятие “побочной чувствительности” основано на фундаментальных принципах компромиссов в биологических системах: в целом, в эволюции не бывает “бесплатного сыра”, и адаптация часто сопряжена с определенными затратами.
В более поздних работах ученые обобщили эти подходы. Используя идеи квантовой физики, междисциплинарная команда (включая врачей, компьютерщиков и физиков) применила метод, названный противодиабатическим движением, чтобы сдвинуть популяции к заранее определенным целям. Например, инфекции, вызванные одними штаммами малярийных паразитов, легче поддаются лечению, чем другими. Исследователи могут попытаться “подтолкнуть” популяции паразитов к более легко поддающимся лечению штаммам.
Подобные идеи применяются и в других системах, например в микробиоме, где эволюционные биологи используют направленную эволюцию для управления микробными сообществами, что живут на нашей коже и в нашем кишечнике. Для этого они используют знания о том, как определенные микробы взаимодействуют друг с другом, а также новые микробные методы, позволяющие внедрять одни микробы в популяцию других микробов. Есть надежда, что с помощью этих знаний мы сможем однажды изменить состав микробиома таким образом, чтобы он был связан с улучшением состояния здоровья.
Эти открытия демонстрируют, что в той или иной форме эволюционный контроль – дело настоящего, а не будущего. Однако большинство успешных примеров было реализовано на небольшом количестве объектов: микробах, микробных сообществ и белках. Более того, существующие усилия сосредоточены на контроле в течение коротких периодов времени – ни один разумный ученый не претендует на способность контролировать молекулярную эволюцию, действующую на протяжении десятилетий или столетий (за исключением искусственного отбора, который происходил на протяжении тысячелетий). Настоящий контроль над эволюционным процессом по-прежнему строго ограничен нашими нынешними знаниями и инструментами.
Хотя технические проблемы контроля эволюции остаются значительными, этические барьеры также заметны. Эти вопросы пересекаются с проблемами, связанными с генетически модифицированными организмами. Когда мы создаем мутацию в сорте кукурузы, способную расти даже в неблагоприятных условиях, мы влияем на будущие поколения этого сорта кукурузы. Более того, селекция эмбрионов у людей может напоминать искусственный отбор, давая нам возможность регулировать появление человеческих черт в будущих популяциях. В целом, чрезмерно усердное применение этих технологий может быть обусловлено своего рода генетическим детерминизмом – наивным мнением, что значимые различия между организмами в популяции могут быть объяснены (в основном) их генетическим составом.
Если мы когда-нибудь попытаемся легкомысленно направлять эволюцию человека и других организмов на протяжении более длительного отрезка времени, мы станем жертвой своего рода эволюционного детерминизма, который утверждает, что мы можем и должны полностью контролировать эволюцию жизни в будущем. В конечном счете, эти амбиции неуместны. Они недооценивают капризность биологической эволюции – сложность учета всех факторов, определяющих функционирование и процветание жизни. Некоторые могут представить, что искусственный интеллект поможет разрешить эти неопределенности. Но искусственный интеллект – это не панацея от невежества. Он наиболее эффективен, когда мы уже понимаем все превратности системы, которую пытаемся моделировать и прогнозировать. Эволюционная биология не вполне соответствует этому стандарту – по крайней мере, пока.
Мы можем (и должны) одновременно восхищаться амбициями современной биологии и иметь достаточно ума, чтобы признать ее ограниченность. Например, движение евгеники предполагало, что человеческую расу можно улучшить с помощью методов, которые дали нам одомашненных животных и сельскохозяйственные культуры. Сейчас мы понимаем, что это был фанатизм, основанный на незнании биологии. Подобные примеры являются предостережением и должны научить нас тому, что неосторожные попытки контроля таких необузданных сил, как эволюция, неизбежно приведут к провалу.
Читайте также: Эволюция человечества – общество-улей. Или муравейник