Прогнозирование эффективности населения Стратегия Замена использованием математического моделирования

Вы не можете проводить эксперименты в экологическом масштабе, потому что это не эксперимент. Это и есть настоящий релиз. Что делать, если что-то пойдет не так?

Помните, что эти комары переносят ряд очень серьезных заболеваний. Что, если они станут супержуками и начнут передавать вирус еще эффективнее? Возможно, они начнут передавать другие болезни, которые раньше не могли передавать.

Мы действительно должны формулировать нашу политику на основе компьютерных моделей, точно так же, как компьютерные модели на случай непредвиденных обстоятельств при высадке человека на Луну. Точно так же мы должны иметь симуляцию всех непредвиденных обстоятельств того, что произойдет после того, как мы выпустим генетически модифицированных обезьян комаров. Меня зовут Чарльз Тейлор.

Я учусь в университете Калифорнии в Лос-Анджелесе на кафедре экологии и эволюционной биологии вместе со своими студентами и постдоками. Я работал над математическими аспектами попытки использовать генетически модифицированных комаров для борьбы с малярией. Мы использовали несколько различных подходов к решению этой проблемы в разных ее аспектах.

И сегодня я покажу вам немного нашей работы, которую мы проделали за последние несколько лет, и я познакомлю вас с одним из моих студентов, Джоном Маршаллом. Моделирование, которое мы проводили, включает в себя несколько различных видов. Прежде всего, есть только базовые особенности биологии, которые необходимо понять и которые требуют моделирования.

Например, какова численность населения, выживаемость и передвижение, и вы увидите несколько примеров этого. Затем нужно понять, что если мы собираемся выпустить перемещаемый элемент, мы знаем, что существует по крайней мере 2050 переменных, которые, вероятно, будут важными. О важности иногда трудно судить только с помощью словесных аргументов, и мы хотели бы иметь хорошие математические модели, которые были бы действительно точными и делали бы такие утверждения, как если бы это работало, то приспособленность транс транспонированного комара должна быть такой-то и такой-то, или движение комара должно быть таким-то.

Итак, вы увидите, что мы проводим некоторую аналитическую работу в этом отношении. Следующий вид проблемы заключается не только в том, чтобы получить ожидания, но и в том, чтобы оценить, что произойдет после первоначального релиза. Если мы проведем тест и получим некоторые результаты, то что это значит?

Означает ли это, что мы были успешными или мы потерпели неудачу? И поэтому для этого требуется более сложное моделирование. В скобках, это то, что мы впервые были введены в модель, эта четвертая группа.

Кроме того, у нас есть более серьезные проблемы, особенно серьезные проблемы, связанные с этическими соображениями. Что может пойти не так? Насколько серьезны вещи, которые могут пойти не так?

Если у нас есть хорошее правило остановки, то мы должны очень четко понимать его и знать, что мы собираемся делать, чтобы навести порядок, если что-то пойдет не так. Допустим, мы делаем супер комара. Первый вид исследований, которые мы провели, заключался в том, чтобы просто определить основные параметры и их значения в популяциях.

Какова численность населения? Какой существует поток генов? Какова ежедневная выживаемость комаров в этом районе?

Мы использовали очень хорошо зарекомендовавший себя традиционный метод, называемый повторным захватом Mark Release. Чтобы сделать это, мы сначала улавливаем большое количество комаров, скажем, тысячу. Мы выезжаем в деревни, отсасываем их со стен, помещаем в пробирку, а затем наносим немного пыли, которая флуоресцирует под воздействием ультрафиолета, так же, как используется при изготовлении красок в магазинах или для психоделических принадлежностей.

А затем, пометив их, мы выпускаем их снова, а затем снимаем со стен в последующие ночи, и на основании того, сколько их было отловлено и где мы можем сделать выводы с помощью математических моделей о том, насколько велика численность популяции, как далеко они перемещаются и насколько хорошо они выживают. И в этом первом видео вы увидите основные результаты наших первых экспериментов, обобщенные вокруг. Что ж, есть несколько способов, которыми моделирование может помочь программе для генетически модифицированных комаров.

Один из них заключается в том, чтобы просто помочь понять основную биологию комаров. И это одна из наших самых первых работ в этом районе, попытка оценить, что происходит, как происходит расселение, каков размер популяции, каково выживание комаров. И глядя на это, которое является кратким изложением результатов нашего исследования, можно выделить некоторые основные особенности биологии, которые могут быть интересны зрителям.

Прежде всего, мы видим деревню, деревню на дне, где мы проделали большую часть нашей работы в Мали. Он состоит примерно из 70 различных комплексов, в которых может быть несколько спальных домов, и они показаны здесь. В основном они сделаны из грязи, и комары могут перемещаться внутрь и наружу по своему желанию.

Повседневная биология отражается в цветах здесь. Это ночь. Предположим, что сейчас сумерки, желтый — это день, и характер комаров у каждого из них разный.

Например, в дневное время они остаются на месте, когда наступают сумерки, затем они начинают двигаться и выходят на улицу и ищут места для кормления или откладывания яиц. А затем, когда наступает вечер, они приходят посреди ночи, они возвращаются, и вы видите, что территория вокруг каждого дома показана другим цветом, который показывает градиент CO2 и запах тела, который комары используют для оттачивания. Одним из самых важных результатов, которые мы получили в течение первого года и для которого это было использовано, было понимание того, что в пределах деревни, независимо от того, где мы выпускаем ее через день, два или три, комары равномерно распределены на несколько километров.

Таким образом, с точки зрения последующего моделирования мы можем сказать, что деревня — это деревня, деревня — это деревня. Внутри деревни нет никаких различий. И тогда вопрос заключается в том, сколько перемещений происходит между деревнями и между различными подвидами комаров.

И следующая иллюстрация покажет вам наше текущее представление о различных хромосомных формах и о передвижении между деревнями. Хорошо, видео, которое мы только что видели, мы видим, что в течение одного или двух дней в деревне происходит большое движение. В основном он однороден, но в реальной жизни гораздо больше сложностей, чем показано здесь.

Прежде всего, существует не один вид комаров, которые переносят малярию. На самом деле, в этой деревне их несколько, и в Бонэме, и в Мали, есть только один вид, анно Гамбия. Но у этого единственного вида есть несколько различных подвидов, так сказать, называемых хромосомными формами, которые присутствуют в одном и том же месте.

И если мы вставим ген в популяцию, переносимый элемент в одну форму, он должен будет пройти через все из них. И, что может быть очень сложным способом, единственный способ по-настоящему понять это — использовать компьютерное моделирование, чтобы понять это дальше. Численность популяции меняется в течение года.

И перемещение из деревни в деревню, о котором мы раньше не думали, должно быть инкорпорировано. Позвольте мне показать вам кадр из одного из фильмов, снятых моими студентами, которые иллюстрируют эту проблему. Вот одна хромосомная форма.

Вот еще, вот еще. Они называются формами Mopti Savannah iCal. Размер желтого диска относится к численности популяции.

Интенсивность черной линии показывает, какой поток генов происходит от места к месту в этом месте. Там протекает река Нигер Найджел, и расстояние до масштаба, вероятно, составляет 10, 15, 30 километров отсюда сюда. Итак, давайте сначала посмотрим, что происходит в течение года.

Это очень сухая местность. Он находится чуть ниже Сахары, Тимбукту находится не очень далеко, так что он находится довольно близко к краю пустыни. Во время сухого сезона, который длится большую часть года, комаров очень мало, потому что негде размножаться.

Но как только сезон дождей начинается в июне, июле, августе и длится до сентября, октября, тогда мы можем достичь огромного количества комаров. В одном из районов, где я работаю, они получают более 500 байт на человека за ночь. Но в этой области он не совсем так высок.

Тем не менее, сезонные колебания огромны, и это помогает посмотреть фильм, чтобы понять, что происходит с размерами популяции в сочетании с различными хромосомными формами и с потоком генов, все это будет важно для того, что в конечном итоге будет сделано. Если мы собираемся сделать релиз. Здесь один годовой цикл.

Мы начинаем с того, что размеры популяции довольно малы, можно увидеть и здесь. А затем к сентябрю-октябрю, вы видите, что у нас довольно большая численность населения в каждой из разных деревень, и у нас есть большой поток генов между разными деревнями. По мере того, как год возвращается в засушливый период, размеры популяции снова уменьшаются, а поток генов также постепенно уменьшается.

Так что вы можете видеть, что здесь много всего происходит. А когда мы внедряем генетику, ситуация становится еще хуже. Следовательно, мы должны рассматривать некоторые из этих вещей одну за другой, а не все вместе, чтобы получить реальное понимание, делать прогнозы и, что особенно важно, установить условия, которые просто должны быть выполнены, если мы хотим добиться успеха. Сейчас.

Для этого полезно иметь аналитические модели, над которыми один из моих студентов, Джон Маршалл, работает последние год или два. Хорошо, я Джон Маршалл. Я учусь в аспирантуре в лаборатории таблиц и работаю над некоторыми из наиболее генетически ориентированных моделей моделирования, уделяя особое внимание параметрам переносимого элемента при его распространении в популяции, распространяемого элемента, потому что они реплицируются, а когда они реплицируются, они наследуются чаще.

Таким образом, у них есть возможность управляться с помощью драйва и воздействовать на ген в популяцию. Поэтому нас интересует, например, скорость транспозиции, то, как она скачет при увеличении стоимости фитнеса, которое часто является следствием транспозиции. Кроме того, по мере того, как транспонируемый элемент увеличивает число копий, он будет транспонироваться реже.

Таким образом, существует противодействующая динамика, и для ее отражения можно использовать математические модели. Итак, здесь мы рассмотрим более сложные модели, на этот раз проследив за ним в течение двух лет, а не только одного. И у нас будет дополнительная особенность, которая заключается в том, что частота перемещаемого элемента иллюстрируется цветом населения.

Итак, помните, что размер популяции — это размер диска, а цвет диска — это частота перемещаемого элемента. Мы начинаем здесь с очень низкой частотой во всех популяциях. И по мере того, как год продвигается медленно, мы видим, что по мере того, как мы приближаемся к сезону дождей, мы видим, что размер популяции увеличивается, и первоначально только сторона запрета на выпуск красная.

А тут это по всем практическим соображениям, на все сто процентов. Другие все еще получили недостаточный поток генов, так что они все еще не все трансформировались, но, несмотря на низкие темпы потока генов, мы видим, что ко второму году почти все будет иметь переносимый элемент. Итак, в конце этого моделирования с этими значениями, частота перемещаемых элементов составляет от 99 до ста процентов во всех районах, во всех деревнях, которые исследуются.

Вы помните, что исследования Джона Маршалла с аналитическими моделями показывают, что скорость транспозиции является критически важной характеристикой в том, как перемещаемый элемент перемещается по популяции. Точно так же, какая хромосомная форма вы высвобождаете, также имеет большое значение. И этот альтернативный сценарий, всего лишь один из многих, которые мы изучали, мы видим, что когда мы выпускаем его в форму Абако, а не в форму мопти, и что мы используем скорость транспозиции, которая меньше, чем та, которую я изначально показал вам.

Этот, возможно, более разумный, более легко достижимый, так как результат сильно отличается через два года. Вот двухлетний цикл, и я сделаю паузу на полпути, чтобы вы могли увидеть замечательную разницу. Опять же, популяция увеличивается, но на этот раз мы выпустили ее в форме бако, а не вниз в форме MTI.

И когда на второй год, когда численность населения увеличивается в середине сезона дождей, видите здесь, она не везде красная, как это было раньше. И более того, все транспонирование как бы находится здесь. Это потому, что поток генов между формой iCal и формой MTI гораздо меньше, чем между саванной и mti.

Таким образом, по мере того, как мы прослеживаем оставшуюся часть года, вместо того, чтобы быть на сто процентов, мы имеем скорее то, что ширина формы iCal теперь составляет всего 20%, а саванна — всего 8%. И mopti, с практической точки зрения, не получила ни одного из переносимых элементов с точки зрения планирования эксперимента или его оценки. Видите ли, очень важно, чтобы у нас были эти симуляции, и они не только направляли наши ожидания, но и оценивали их. Наконец, есть аспект этого, который не получил и близко того внимания, которого заслуживает.

И это этическое соображение. Большая часть работы до сих пор была связана с генной инженерией, пытаясь создать что-то, что будет работать. Но на самом деле, даже если он у нас есть, это работает.

Что будет, если его выпустят? Что делать, если что-то пойдет не так? Помните, что эти комары переносят ряд очень серьезных заболеваний.

Что, если они станут супержуками и начнут передавать вирус еще эффективнее? Или, если они есть, они становятся, у них есть антибиотики, и они распространяют их на другие виды. Или, в качестве альтернативы, они могут начать передавать другие болезни, которые они не могли передать в прошлом.

Это лишь три из очень большого количества ужасных вещей, которые могут произойти. И поскольку у нас нет никакой экспериментальной базы для изучения, мы действительно должны формулировать нашу политику на основе компьютерных моделей. Это можно сделать несколькими способами.

Джон рассматривает только один аспект того, что идет не так, но очевидно, что их гораздо больше. И одна вещь, которую мы должны сделать, но еще не сделали, это создать модели, которые говорят, что проблемы достаточно серьезны, мы должны остановиться, и вот как мы исправляем то, что пошло не так в прошлом. Будем надеяться, что нам никогда не придется действовать на основе этой информации, но точно так же, как у нас есть компьютерные модели на все случаи жизни и высадка на Луну, точно так же мы должны иметь симуляцию всех непредвиденных обстоятельств того, что произойдет после того, как мы выпустим генетически модифицированных комаров.

Таким образом, эти и другие попытки моделирования, о которых говорилось в этом сегменте, важны для оценки того, может ли проект работать. Вы не можете проводить эксперименты в экологическом масштабе, потому что это не эксперимент, а реальный выброс. Поэтому важно иметь некоторые измерения параметров, а затем некоторое представление о том, как все работает в модели, а затем дать некоторое представление о том, будет ли она не работать, будет ли она работать или нет.

Кроме того, для моделирования важно давать рекомендации молекулярным биологам о том, какие параметры следует измерять, какие параметры важно измерять, и когда они их измеряют, какие значения важны для успеха проекта.