توقع فعالية استراتيجية استبدال السكان الذين يستخدمون النمذجة الرياضية

لا يمكنك إجراء تجارب على المستوى البيئي لأن هذه ليست تجربة. إنه الإصدار الفعلي. ماذا لو حدث خطأ ما؟

تذكر أن هذا البعوض ينقل عددا من الأمراض الخطيرة للغاية. ماذا لو أصبحوا حشرات خارقة وبدأوا في الإرسال بشكل أكثر فعالية؟ ربما سيبدأون في نقل أمراض أخرى لم يتمكنوا من نقلها في الماضي.

علينا حقا صياغة سياساتنا بناء على نماذج الكمبيوتر ، تماما مثل وجود نماذج حاسوبية لجميع الحالات الطارئة في هبوط شخص ما على سطح القمر. لذلك أيضا ، يجب أن يكون لدينا محاكاة لجميع الحالات الطارئة لما يحدث بعد إطلاق البعوض المعدل للقردة الجينية. اسمي تشارلز تايلور.

أنا جامعة كاليفورنيا لوس أنجلوس في قسم علم البيئة وعلم الأحياء التطوري مع طلابي وما بعد الدكتوراه. لقد كنت أعمل على الجوانب الرياضية لمحاولة استخدام البعوض المعدل وراثيا للسيطرة على الملاريا. لقد اتخذنا عدة طرق مختلفة للقيام بذلك لأجزاء مختلفة من المشكلة.

واليوم سأريكم القليل من عملنا الذي قمنا به في السنوات القليلة الماضية وسأقدم لكم أحد طلابي، جون مارشال. النمذجة التي كنا نقوم بها هي عدة أنواع مختلفة. بادئ ذي بدء ، هناك فقط ميزات أساسية لعلم الأحياء تحتاج إلى فهمها والتي تتطلب النمذجة.

على سبيل المثال ، ما هو حجم السكان ، والبقاء على قيد الحياة ، والحركة ، وسترى بعض الأمثلة على ذلك. ثم الشيء التالي هو أن نفهم ما إذا كنا سنطلق عنصرا قابلا للنقل ، فنحن نعلم أن هناك ما لا يقل عن 2050 متغيرا من المحتمل أن تكون مهمة. يصعب أحيانا الحكم على الأهمية فقط من خلال الحجج اللفظية ، ونود أن يكون لدينا نماذج رياضية جيدة لتكون دقيقة حقا وأن تدلي بعبارات مثل ، إذا كان هذا سينجح ، فيجب أن تكون لياقة البعوض المنقول هكذا وكذا ، أو يجب أن تكون حركة البعوض على هذا النحو.

وهكذا ، سترون أننا قمنا ببعض الأعمال التحليلية في هذا الصدد. النوع التالي من المشاكل ليس فقط اشتقاق التوقعات ، ولكن بالأحرى تقييم ما يحدث بعد الإصدار الأولي. إذا أجرينا اختبارا بعد ذلك وحصلنا على بعض النتائج ، فماذا يعني ذلك؟

هل هذا يعني أننا نجحنا أم أننا فشلنا؟ ولذا فإن هناك حاجة إلى محاكاة أكثر تعقيدا لذلك. بين قوسين ، هذا ما تم إحضارنا لأول مرة إلى النموذج ، هذه المجموعة الرابعة.

ثم لدينا المشاكل الأكثر خطورة ، وخاصة المشاكل الخطيرة ، للاعتبارات الأخلاقية. ما الخطأ الذي قد يحدث؟ ما مدى خطورة الأشياء التي قد تخطئ؟

إذا كانت لدينا قاعدة توقف جيدة ، فعلينا أن نكون واضحين جدا بشأنها وأن نعرف ما سنفعله لتنظيف الفوضى إذا حدث خطأ ما. لنفترض أننا نصنع بعوضة خارقة. كان النوع الأول من الدراسات التي أجريناها هو تحديد المعلمات الأساسية وقيمها في السكان فقط.

ما هي أحجام السكان؟ ما مقدار تدفق الجينات هناك؟ ما هو البقاء اليومي للبعوض في هذه المنطقة؟

استخدمنا طريقة تقليدية راسخة للغاية تسمى Mark Release recapture. للقيام بذلك ، فإن الطريقة التي تعمل بها استعادة إطلاق العلامة هي أننا نلتقط أولا عددا كبيرا من البعوض ، دعنا نقول ألفا. نخرج إلى القرى ، ونستنشقها من الجدران ، ونضعها في قارورة ، ثم نضع القليل من الغبار على تلك الأشعة فوق البنفسجية ، تماما كما هو الحال في صنع الدهانات في المتاجر أو للأدوات المخدرة.

وبعد ذلك ، بعد وضع علامة عليها ، أطلقناها مرة أخرى ثم نلتقطها من الجدران في الليالي اللاحقة وبناء على عدد الذين يتم استعادتهم وأين يمكننا إجراء استنتاجات باستخدام نماذج رياضية حول حجم السكان ، ومدى تحركهم ، ومدى نجاحهم ، وبقائهم على قيد الحياة. وفي هذا الفيديو الأول ، سترى النتائج الرئيسية لتجاربنا الأولى ملخصة. حسنا ، هناك عدة طرق يمكن أن تساعد بها النمذجة في برنامج البعوض المعدل وراثيا.

واحد من هذه ببساطة للمساعدة في فهم البيولوجيا الأساسية للبعوض. وهذا من أول أعمالنا في المنطقة، في محاولة لتقدير ماذا، مقدار التشتت الذي يحدث، ما هو حجم السكان، ما هو بقاء البعوض؟ وبالنظر إلى هذا ، وهو ملخص لنتائج بحثنا ، هناك بعض الأجزاء الأساسية في علم الأحياء التي قد تكون ذات أهمية للمشاهدين.

بادئ ذي بدء ، نرى قرية ، قرية الجزء السفلي حيث قمنا بالكثير من عملنا في مالي. يتكون من ما يقرب من 70 مركبا مختلفا قد تحتوي على العديد من منازل النوم ، وهي موضحة هنا. إنها مصنوعة بشكل أساسي من الطين ويمكن للبعوض أن يتحرك داخل وخارج حسب الرغبة.

تنعكس البيولوجيا اليومية من خلال الألوان هنا. هذه ليلة. لنفترض أن الشفق ، فإن اللون الأصفر هو النهار ونمط البعوض مختلف لكل منهما.

على سبيل المثال ، خلال النهار ، سيبقون في مكانهم عندما يصبح الشفق ، ثم سيبدأون في التحرك وسيخرجون ويبحثون عن أماكن لإطعامهم أو وضع بيضهم. وبعد ذلك عندما يحل المساء ، سيعودون ، في منتصف الليل ، وسيعودون وترى أن المناطق المحيطة بكل منزل تظهر بلون مختلف يظهر تدرج ثاني أكسيد الكربون2 ورائحة الجسم التي يستخدمها البعوض لصقلها. واحدة من أهم النتائج التي حصلنا عليها خلال السنة الأولى والتي تم استخدامها من أجلها هي فهم أنه داخل فرقعة داخل قرية ، بغض النظر عن المكان الذي نطلقه يوما أو يومين أو ثلاثة أيام ، يتم توزيع البعوض بشكل متجانس على عدة كيلومترات.

لذلك من وجهة نظر النمذجة اللاحقة ، يمكننا القول أن القرية هي القرية هي القرية. لا يوجد تمييز داخل القرية. والمشكلة إذن هي مقدار الحركة التي تحدث بين القرى وبين الأنواع الفرعية المختلفة من البعوض.

وسيوضح لك الرسم التوضيحي التالي فهمنا الحالي لأشكال الكروموسومات المختلفة وحول الحركة بين القرى. حسنا، الفيديو الذي رأيناه للتو، نرى أن هناك الكثير من الحركة داخل القرية في غضون يوم أو يومين. إنه متجانس بشكل أساسي ، ولكن هناك الكثير من التعقيدات في الحياة الواقعية أكثر مما هو موضح هنا.

بادئ ذي بدء ، لا يوجد نوع واحد فقط من البعوض ينقل الملاريا. في الواقع ، هناك العديد في هذه القرية وبونهام ومالي ، لا يوجد سوى نوع واحد ، أنو غامبيا. لكن هذا النوع الفردي له العديد من الأنواع الفرعية المختلفة ، إذا جاز التعبير ، تسمى أشكال الكروموسومات الموجودة في نفس الموقع.

وإذا أدخلنا الجين في السكان ، وهو عنصر قابل للنقل في شكل واحد ، فسيتعين عليه أن يتحرك عبرهم جميعا. وما قد يكون أخلاقا معقدة للغاية ، فإن الطريقة الوحيدة لفهم ذلك حقا هي استخدام المحاكاة الحاسوبية لفهمها بشكل أكبر. يختلف حجم السكان بمرور العام.

والحركة من قرية إلى أخرى ، والتي لم نفكر فيها من قبل ، يجب أن تدرج. لذا هنا، دعوني أريكم إطارا من أحد الأفلام التي صنعها طلابي والتي توضح المشكلة. هنا شكل كروموسومي واحد.

هنا آخر ، هذا آخر. وتسمى هذه أشكال Mopti Savannah iCal. يشير حجم القرص الأصفر إلى حجم السكان.

توضح شدة الخط الأسود مقدار تدفق الجينات الذي يحدث في مكان لوضعه في هذا الموقع. هناك نهر النيجر نايجل يتدفق ومن المحتمل أن يكون القرص على نطاق واسع 10 ، 15 ، 30 كيلومترا من هنا إلى هنا. لذلك دعونا أولا نلقي نظرة على ما يحدث خلال العام.

هذه منطقة جافة جدا. إنه أسفل الصحراء الكبرى مباشرة ، تمبكتو ليس بعيدا جدا ، لذا فهو قريب جدا من حافة الصحراء. خلال موسم الجفاف ، وهو معظم العام ، هناك عدد قليل جدا من البعوض لأنه لا يوجد مكان للتكاثر.

ولكن بمجرد أن يبدأ موسم الأمطار في يونيو ويوليو وأغسطس ويمتد حتى سبتمبر وأكتوبر ، يمكننا تحقيق أعداد هائلة من البعوض. في إحدى المناطق التي أعمل فيها ، يحصلون على أكثر من 500 بايت للشخص الواحد في الليلة. لكن في هذا المجال ليس مرتفعا جدا.

ومع ذلك ، فإن التباين الموسمي هائل ويساعد على مشاهدة فيلم لفهم ما يحدث حقا مع أحجام السكان جنبا إلى جنب مع أشكال الكروموسومات المختلفة ومع تدفق الجينات ، كل هذه ستكون مهمة لما يتم القيام به في النهاية. إذا كنا سنقوم بإصدار. هنا دورة سنوية واحدة.

نبدأ ، أحجام السكان صغيرة إلى حد ما ، يمكننا أن نرى هنا أيضا. ثم بحلول سبتمبر وأكتوبر ، ترى أن لدينا حجما سكانية كبيرة جدا في كل قرية من القرى المختلفة ولدينا الكثير من تدفق الجينات بين القرى المختلفة. مع استمرار العام في فترة الجفاف ، تتضاءل أحجام السكان مرة أخرى ويتناقص تدفق الجينات تدريجيا أيضا.

لذا يمكنك أن ترى أن هناك الكثير مما يحدث هنا. وعندما نقدم علم الوراثة ، يكون الوضع أسوأ. وبالتالي ، علينا أن ننظر إلى بعض هذه الأشياء واحدة تلو الأخرى ، وليس كلها معا من أجل الحصول على فهم حقيقي ، وعمل تنبؤات ، وعلى وجه الخصوص وضع الشروط التي يجب الوفاء بها ببساطة إذا أردنا أن نكون ناجحين في ذلك ، من المفيد حقا أن يكون لدينا كل شيء معا ، نوع مختلف من النموذج عما كنا ننظر إليه. الآن.

لذلك ، من المفيد أن يكون لديك نماذج تحليلية كأحد طلابي الذي كان جون مارشال يعمل عليه خلال العام أو العامين الماضيين. حسنا ، أنا جون مارشال. أنا طالب دراسات عليا في مختبر الطاولة وكنت أعمل على بعض جهود نمذجة النماذج الأكثر تركيزا وراثيا ، مع التركيز على معلمات عنصر قابل للنقل أثناء انتشاره عبر مجموعة سكانية ، ينتشر عنصر قابل للنقل لأنه يتكاثر وعندما يتكاثر ، يتم توريثه بشكل متكرر.

لذلك لديهم القدرة على أن يكونوا مدفوعين بدافع والتأثير على الجين في مجموعة سكانية. لذلك نحن مهتمون ، على سبيل المثال ، بمعدل التبديل ، والطريقة التي يقفز بها الزيادة في تكلفة اللياقة البدنية ، والتي غالبا ما تكون نتيجة للتبديل العابر. وأيضا عندما يزيد العنصر القابل للنقل من رقم نسخته ، نقله بشكل أقل تكرارا.

لذلك هناك تلك الديناميكيات المضادة ويمكن استخدام النماذج الرياضية لالتقاط ذلك. لذلك سنلقي نظرة هنا على النماذج الأكثر تعقيدا هذه المرة التي تتبعها خلال عامين ، وليس عاما واحدا فقط. وستكون لدينا ميزة إضافية تتمثل في أن تردد العنصر القابل للنقل يوضح بلون السكان.

لذا تذكر أن حجم السكان هو حجم القرص وأن لون القرص هو تردد العنصر القابل للنقل. نبدأ هنا بترددات منخفضة جدا في جميع السكان. ومع تقدم العام ببطء ، نرى أنه مع دخولنا موسم الأمطار ، نرى أن حجم السكان يزداد في البداية فقط جانب حظر الإطلاق أحمر.

وها هو لجميع الأغراض العملية ، مائة بالمائة. لا يزال الآخرون يتلقون تدفقا غير كاف للجينات بحيث لا يزالون غير متحولين جميعا ، ولكن على الرغم من المعدلات المنخفضة لتدفق الجينات ، نرى أنه بحلول السنة الثانية ، سيحتوي كل شيء تقريبا على العنصر القابل للنقل. لذلك في نهاية هذه المحاكاة بهذه القيم ، يتراوح تواتر العنصر القابل للنقل بين 99 و مائة بالمائة في جميع المناطق التي يتم استكشافها في جميع القرى.

ستتذكر أن دراسات جون مارشال مع النماذج التحليلية تظهر أن معدل التبديل هو سمة حاسمة في كيفية تحرك العنصر القابل للنقل عبر السكان. وبالمثل ، أي شكل كروموسومي تطلقه يحدث فرقا كبيرا أيضا. وهذا السيناريو البديل، وهو واحد من العديد من السيناريوهات التي درسناها، نرى أنه عندما نطلقه في شكل أباكو، وليس في الشكل المبطي، وأننا نستخدم معدل تبديل أصغر من السيناريو الذي عرضناه على الأصل.

يكون هذا أكثر منطقية ، ويمكن تحقيقه بسهولة أكبر ، وأن النتيجة مختلفة تماما بعد عامين. هذه دورة مدتها عامان ، وسأوقفها مؤقتا جزئيا حتى تتمكن من رؤية الفرق الملحوظ. مرة أخرى ، يزداد عدد السكان ، ولكن كيف أطلقناه هذه المرة في شكل باكو ، وليس في شكل MTI.

وعندما ، في السنة الثانية ، عندما يزداد حجم السكان خلال منتصف موسم الأمطار ، انظر هنا ، إنه ليس أحمر في كل مكان كما كان من قبل. وعلاوة على ذلك ، يبدو أن كل التبديل موجود هنا. هذا لأن هناك تدفقا جينيا أقل بكثير بين شكل iCal وشكل MTI مقارنة ب السافانا و mti.

إذن هنا ، بينما نتابع بقية العام ، بدلا من أن نكون مائة بالمائة ، لدينا بدلا من ذلك أن مساحة شكل iCal هي الآن 20٪ فقط ، والسافانا هي 8٪ فقط ، ولم تتلق mopti ، لأغراض عملية ، أيا من العناصر القابلة للنقل من وجهة نظر تصميم التجربة أو تقييمها. كما ترى ، من الأهمية بمكان أن يكون لدينا هذه المحاكاة وليس فقط لتوجيه توقعاتنا ، ولكن أيضا لتقييمها. أخيرا ، هناك جانب من هذا لم يحظ بالاهتمام الذي يستحقه تقريبا.

وهذا هو الاعتبار الأخلاقي. كان معظم العمل حتى الآن على الهندسة الوراثية في محاولة لصنع شيء من شأنه أن ينجح. لكن في الواقع ، حتى لو كان لدينا ، فهذا يعمل.

ماذا سيحدث إذا تم إصداره؟ ماذا لو حدث خطأ ما؟ تذكر أن هذا البعوض ينقل عددا من الأمراض الخطيرة للغاية.

ماذا لو أصبحوا حشرات خارقة وبدأوا في الإرسال بشكل أكثر فعالية؟ أو إذا كان لديهم ، أصبحوا ، لديهم مضادات حيوية وينشرونها إلى أنواع أخرى. أو بدلا من ذلك ، ربما يبدأون في نقل أمراض أخرى لم يتمكنوا من نقلها في الماضي.

هذه ليست سوى ثلاثة من عدد كبير جدا من الأشياء الرهيبة التي قد تحدث. ولأننا نفتقر إلى أي أساس تجريبي للدراسة ، علينا حقا صياغة سياساتنا بناء على نماذج الكمبيوتر. هناك عدة طرق يمكن القيام بذلك.

ينظر جون إلى جانب واحد فقط من الأشياء التي تسير بشكل خاطئ ، ولكن من الواضح أن هناك الكثير من الأشياء. وهناك شيء واحد يتعين علينا القيام به ولم نفعله بعد هو صنع نماذج تقول إن المشاكل سيئة بما فيه الكفاية ، وعلينا أن نتوقف وإليك كيفية معالجة الأخطاء التي حدثت في الماضي. نأمل ألا نضطر أبدا إلى التصرف بناء على هذه المعلومات ، ولكن تماما مثل وجود نماذج كمبيوتر لجميع الحالات الطارئة وهبوط شخص ما على سطح القمر ، لذلك أيضا ، يجب أن يكون لدينا محاكاة لجميع الحالات الطارئة لما يحدث بعد إطلاق البعوض المعدل وراثيا.

لذا فإن جهود النمذجة هذه وجهود النمذجة الأخرى التي تم الحديث عنها في هذا الجزء مهمة لتقييم ما إذا كان المشروع يمكن أن ينجح أم لا. لا يمكنك إجراء تجارب على المستوى البيئي لأن هذه ليست تجربة ، إنها الإصدار الفعلي. لذلك من المهم أن يكون لديك بعض قياسات المعلمات ثم بعض المفاهيم لكيفية عمل الأشياء في النموذج ، ثم إعطاء فكرة عما إذا كان لن يحدث ، وما إذا كان سينجح أم لا.

بالإضافة إلى ذلك ، من المهم لجهود النمذجة تقديم توصيات لعلماء الأحياء الجزيئية حول المعلمات التي يجب قياسها ، والمعلمات المهمة لقياسها ، ومتى يقومون بقياسها ، ما نوع القيم المهمة لنجاح المشروع.