利用数学建模预测的人口更替策略的有效性

你不能在生态尺度上做实验，因为那不是实验。这是实际的发布。如果出现问题怎么办？

请记住，这些蚊子会传播许多非常严重的疾病。如果它们变成超级虫子并开始更有效地传播怎么办？也许他们会开始传播过去无法传播的其他疾病。

我们真的必须根据计算机模型来制定我们的政策，就像为将某人送上月球的所有意外情况建立计算机模型一样。同样，我们必须模拟释放基因猿改造蚊子后发生的所有意外情况。我叫 Charles Taylor。

我是加州大学洛杉矶分校生态学和进化生物学系的一名学生，与我的学生和博士后在一起。我一直在研究尝试使用转基因蚊子控制疟疾的数学方面。我们采取了几种不同的方法来针对问题的不同部分执行此作。

今天，我将向大家展示我们过去几年所做的一些工作，并向您介绍我的一位学生 John Marshall。我们一直在做的建模是几种不同的类型。首先，只需要了解需要建模的生物学的基本特征。

例如，人口规模、生存率和移动量是多少，您将看到一些示例。然后接下来要了解如果我们要释放一个转座因子，我们知道至少有 2050 个变量可能是重要的。有时仅通过口头争论很难判断其重要性，我们希望有好的数学模型来真正精确，并做出这样的陈述，如果这要奏效，那么转位蚊子的反式适应度必须是这样那样的，或者蚊子的运动必须是这样。

所以，你会看到我们一直在这方面做一些分析工作。下一种问题是不仅要推导出期望，还要评估初始发布后会发生什么。如果我们然后做一个测试并得到一些结果，那意味着什么？

这是否意味着我们已经成功了，还是我们失败了？因此，需要更复杂的模拟。顺便说一句，这就是我们第一次被引入模型的内容，这个组 4。

然后我们还有更严重的问题，特别是道德考虑的严重问题。可能出什么问题？可能出错的事情有多严重？

如果我们有一个好的停止规则，那么我们必须非常清楚它，并知道如果出现问题，我们将如何收拾烂摊子。假设我们制作了一只超级蚊子。我们所做的第一种研究只是为了确定人群的核心参数及其值。

人口规模是多少？有多少基因流？这个地区的蚊子每天的生存情况如何？

我们使用了一种非常成熟的传统方法，称为 Mark Release 重新捕获。为此，标记释放重新捕获的工作原理是，我们首先捕获大量蚊子，比如说一千只蚊子。我们走到村庄，从墙上吸出它们，把它们放进一个小瓶里，然后我们在紫外线下发出荧光的上面放一点灰尘，就像用来制作商店或迷幻用具的油漆一样。

然后标记它们后，我们再次释放它们，然后在随后的夜晚从墙壁上捕获它们，根据重新捕获的数量以及我们可以使用数学模型推断种群规模有多大、它们移动多远以及它们存活得如何。在第一个视频中，您将看到我们第一个实验的主要结果摘要。好吧，建模可以通过多种方式帮助转基因蚊子程序。

其中之一就是帮助了解蚊子的基本生物学。这是我们在该地区的第一批工作，试图估计发生了什么，传播了多少，种群规模如何，蚊子的生存情况如何？看看这个，这是我们研究结果的总结，观众可能会对生物学的一些基本特征部分感兴趣。

首先，我们看到一个村庄，一个 Bottom body 村，我们在马里做了很多工作。它由大约 70 种不同的化合物组成，这些化合物可能有几个睡眠房屋，这些化合物显示在这里。它们基本上是用泥做的，蚊子可以随意进出。

日常生物学反映在这里的颜色。这是夜晚。假设是黄昏，黄色是白天，蚊子的模式各不相同。

例如，在白天，当黄昏时分，它们会留在原地，然后它们会开始四处移动，它们会出去寻找觅食或产卵的地方。然后当天色傍晚时分，它们会进来，在半夜，它们会回来，你会看到每个家周围的区域都以不同的颜色显示，这显示了蚊子用来磨练的二氧化碳和体味的梯度。我们在第一年取得的最重要的结果之一是了解到，在一个村庄内的一个流行物中，无论我们在哪里释放它一两天或三天，蚊子都会均匀分布在几公里内。

所以从后续建模的角度来看，我们可以说 a a a A 村是，A 村是村。村里没有区别。那么问题就是村庄之间和蚊子的不同亚种之间发生了多少移动。

下一张插图将向您展示我们目前对不同染色体形式和村庄之间运动的理解。好的，我们刚刚看到的视频，我们看到一个村庄在一两天内有很多活动。它基本上是同质的，但在现实生活中比这里显示的要复杂得多。

首先，传播疟疾的蚊子不止一种。事实上，这个村子里有几个，邦纳姆和马里只有一个物种，即冈比亚。但是这个物种有几个不同的亚种，可以说，称为染色体形式，它们存在于同一个位置。

如果我们把基因插入到种群中，将转座因子插入到一种形式中，它将不得不通过所有这些形式。而那些可能非常复杂的礼仪，真正理解它的唯一方法是使用计算机模拟来进一步理解它。种群规模全年变化。

我们以前从未想过的从一个村庄到另一个村庄的运动必须被纳入其中。所以在这里，让我向你展示我的学生制作的一部电影中的一帧，它说明了这个问题。这是一种染色体形式。

这是另一个，这是另一个。这些被称为 Mopti Savannah iCal 表格。黄色圆盘的大小是指种群的大小。

黑线的强度表示在该位置发生了多少基因流。尼日尔奈杰尔河流淌，从这里到这里的圆盘可能是 10、15、30 公里。那么，让我们首先看看这一年会发生什么。

这是一个非常干燥的区域。它就在撒哈拉沙漠的下面，廷巴克图不是很远，所以它非常靠近沙漠的边缘。在一年中的大部分时间里，蚊子很少，因为没有地方繁殖。

但是，一旦雨季从 6 月、7 月、8 月开始，一直持续到 9 月、10 月，我们就可以实现大量的蚊子。我工作的一个区域，他们每人每晚获得超过 500 字节。但在这个地区，它并没有那么高。

尽管如此，季节性变化是巨大的，看电影有助于真正了解人口规模、不同的染色体形式和基因流动的情况，所有这些都对最终完成的工作很重要。如果我们要发布。这是一个年度周期。

我们一开始，种群规模相当小，也可以在这里看到。然后到 9 月、10 月，你会看到我们每个不同村庄的人口规模都相当大，我们在不同的村庄之间有很多基因流动。随着一年继续回到干旱期，种群规模再次缩小，基因流动也逐渐减少。

所以你可以看到这里发生了很多事情。当我们引入遗传学时，情况甚至更糟。因此，我们必须一个一个地看待其中的一些事情，而不是一起看待，以便获得真正的理解，做出预测，尤其是设定条件，如果我们要做到这一点，就必须满足这些条件，把它们放在一起，与我们一直在关注的模型类型不同，这真的很有帮助。现在。

为此，拥有分析模型很有帮助，因为我的学生之一 John Marshall 在过去一两年里一直在研究。好的，我是 John Marshall。我是表格实验室的研究生，我一直在从事一些更注重遗传学的模型建模工作，专注于转座因子在种群中传播时的参数，转座因子传播是因为它们复制，当它们复制时，它们会更频繁地遗传。

因此，它们有能力被驱动并将基因影响到一个群体中。因此，我们感兴趣的是，例如，换位率，它跳跃健身成本增加的方式，这通常是换位的结果。而且，随着转座因子的拷贝数增加，它的转置频率会降低。

所以有那些抵消动力学，数学模型可以用来捕捉它。因此，在这里，我们将看看更复杂的模型，这次将跟踪它两年，而不仅仅是一年。我们将有一个额外的功能，即转座因子的频率由总体的颜色来表示。

所以请记住，种群大小是转座元件的大小，而圆盘的颜色是转座因子的频率。我们从所有种群的极低频率开始。随着一年的缓慢发展，我们看到，随着雨季的到来，我们看到种群规模越来越大，最初只有释放禁令的一侧是红色的。

在这里，它用于所有实际目的，百分之百。其他的仍然没有接受足够的基因流，因此它们仍然没有全部转化，但尽管基因流速很低，但我们看到到第二年，几乎所有东西都将具有转座因子。因此，在使用这些值的模拟结束时，在所有正在探索的村庄的所有区域中，转座因子的频率在 99% 到 100% 之间。

您可能还记得 John Marshall 的分析模型研究表明，转座率是转座因子如何在种群中移动的关键特征。同样，您释放的染色体形式也有很大的不同。而这种替代情况，只是我们研究过的众多情况中的一种，我们看到，当我们将其释放到 Abaco 形式而不是 mopti 形式时，我们使用的转座速率比我最初向您展示的要小。

这个可能更合理，更容易实现，两年后的结果大不相同。这是一个两年的周期，我会在中途暂停它，以便你看到显着的差异。同样，人口增加了，但这次我们是如何以 baco 形式发布的，而不是以 MTI 形式发布。

当第二年，当雨季中期人口规模增加时，看看这里，它不像以前那样到处都是红色的。此外，所有的换位似乎都位于这里。这是因为 iCal 形式和 MTI 形式之间的基因流动比热带稀树草原和 MTI 之间的基因流动要少得多。

所以在这里，当我们继续到今年的剩余时间时，我们不是百分之百的，而是 a iCal 形式的区域宽度现在只有 20%稀树草原只有 8%而 mopti，出于实际目的，从设计实验或评估实验的角度来看，还没有收到任何转座因子。你看，我们拥有这些模拟至关重要，这不仅可以指导我们的期望，还可以评估它们。最后，还有一个方面没有得到应有的关注。

这就是道德考虑。到目前为止，大部分工作都在进行基因工程，试图制造出有效的东西。但事实上，即使我们有它，那也是有效的。

如果它被发布会怎样？如果出现问题怎么办？请记住，这些蚊子会传播许多非常严重的疾病。

如果它们变成超级虫子并开始更有效地传播怎么办？或者，如果他们有，他们就会变成，他们有抗生素，然后他们就会把抗生素传播给其他物种。或者，也许他们会开始传播过去无法传播的其他疾病。

这些只是可能发生的大量可怕事情中的三项。因为我们缺乏任何研究的实验基础，我们真的必须根据计算机模型来制定我们的政策。有几种方法可以做到这一点。

John 只关注了出错的事情的一个方面，但显然还有更多。我们必须做但尚未做的一件事是制作模型，表明问题已经足够严重，我们必须停止，这就是我们如何补救过去出现的问题。希望我们永远不必根据这些信息采取行动，但就像拥有所有突发事件的计算机模型并将某人送上月球一样，我们也必须模拟释放转基因蚊子后发生的所有突发事件。

因此，这些建模工作以及本节中讨论的其他建模工作对于评估项目是否可行非常重要。你不能在生态尺度上做实验，因为那不是实验，而是实际的释放。因此，重要的是要对参数进行一些测量，然后对模型的工作原理有一些概念，然后给出一些关于它是否会工作的想法，以及它是否会工作。

此外，建模工作必须向分子生物学家提出建议，说明应该测量哪些参数，哪些参数需要测量，以及何时测量这些参数，什么样的值对于项目的成功很重要。