Matematiksel Modelleme Nüfus Yedek Strateji Etkinliği tahmin

Ekolojik ölçekte deneyler yapamazsınız çünkü bu bir deney değildir. Bu gerçek sürümdür. Ya bir şeyler ters giderse?

Bu sivrisineklerin çok ciddi hastalıklar bulaştırdığını unutmayın. Ya süper böcekler haline gelirlerse ve daha etkili bir şekilde iletmeye başlarlarsa? Belki de geçmişte bulaştıramadıkları diğer hastalıkları bulaştırmaya başlayacaklar.

Politikalarımızı gerçekten bilgisayar modellerine dayalı olarak formüle etmeliyiz, tıpkı birini aya indirirken tüm beklenmedik durumlar için bilgisayar modellerine sahip olmak gibi. Aynı şekilde, gen maymunu modifiye edilmiş sivrisinekleri serbest bıraktıktan sonra ne olacağına dair tüm olasılıkların simülasyonlarına sahip olmalıyız. Benim adım Charles Taylor.

Kaliforniya Los Angeles Üniversitesi'nde Ekoloji ve Evrimsel Biyoloji Bölümü'nde öğrencilerim ve doktora sonrası öğrencilerimle birlikteyim. Sıtmayı kontrol etmek için genetiği değiştirilmiş sivrisinekleri kullanma girişiminin matematiksel yönleri üzerinde çalışıyorum. Sorunun farklı kısımları için bunu yapmak için birkaç farklı yaklaşım benimsedik.

Ve bugün size son birkaç yıldır yaptığımız çalışmalardan bir kısmını göstereceğim ve sizi öğrencilerimden biri olan John Marshall ile tanıştıracağım. Yaptığımız modelleme birkaç farklı türden. Her şeyden önce, biyolojinin modellenmesi gereken anlaşılması gereken temel özellikleri vardır.

Örneğin, nüfus büyüklüğü, hayatta kalma ve hareket nedir ve bunların bazı örneklerini göreceksiniz. O zaman bir sonraki şey, transpoze edilebilir bir eleman yayınlayıp yayınlamayacaksak, önemli olması muhtemel en az 2050 değişken olduğunu biliyoruz. Önemi bazen sadece sözlü argümanlarla yargılamak zordur ve gerçekten kesin olmak için iyi matematiksel modellere sahip olmak ve eğer bu işe yarayacaksa, o zaman yer değiştiren sivrisineğin transının uygunluğu şöyle olmalı veya sivrisineğin hareketi böyle olmalıdır gibi ifadeler yapmak isteriz.

Ve böylece, bu konuda bazı analitik çalışmalar yaptığımızı göreceksiniz. Bir sonraki sorun türü, sadece beklentileri türetmek değil, aynı zamanda ilk sürümden sonra ne olacağını değerlendirmektir. O zaman bir test yaparsak ve bazı sonuçlar alırsak, bu ne anlama geliyor?

Bu başarılı olduğumuz anlamına mı geliyor yoksa başarısız olduğumuz anlamına mı geliyor? Ve bunun için daha karmaşık simülasyonlar gerekiyor. Parantez içinde, modele ilk getirildiğimiz şey buydu, bu dördüncü grup.

Ve sonra daha ciddi problemlerimiz var, özellikle de etik düşüncelerle ilgili ciddi problemler. Ne ters gidebilir? Yanlış gidebilecek şeyler ne kadar ciddi?

İyi bir durdurma kuralımız varsa, o zaman bu konuda çok net olmalıyız ve bir şeyler ters giderse pisliği temizlemek için ne yapacağımızı bilmeliyiz. Diyelim ki bir süper sivrisinek yaptık. Yaptığımız ilk çalışma türü, popülasyonlar için temel parametreleri ve değerlerini tanımlamaktı.

Nüfus büyüklükleri nedir? Ne kadar gen akışı var? Bu bölgedeki sivrisineklerin günlük hayatta kalma süresi nedir?

Mark Release yeniden yakalama adı verilen çok iyi bilinen geleneksel bir yöntem kullandık. Bunları yapmak için, işaret bırakma yeniden yakalamanın çalışma şekli, önce çok sayıda sivrisinek yakalamamızdır, diyelim ki bin. Köylere gidiyoruz, onları duvarlardan aspire ediyoruz, bir şişeye koyuyoruz ve sonra uv altındaki floresanların üzerine biraz toz koyuyoruz, tıpkı mağazalarda veya psychedelic gereçler için boya yapımında kullanılanlar gibi.

Ve sonra onları işaretledikten sonra, onları tekrar serbest bırakıyoruz ve sonraki gecelerde duvarlardan yakalarız ve kaç tanesinin yeniden ele geçirildiğine ve popülasyon büyüklüğünün ne kadar büyük olduğuna, ne kadar uzağa hareket ettiklerine ve ne kadar iyi hayatta kaldıklarına dair matematiksel modeller kullanarak nerede çıkarımlar yapabileceğimize dayanarak. Ve bu ilk videoda, ilk deneylerimizin ana sonuçlarının özetlendiğini göreceksiniz. Modellemenin, genetiği değiştirilmiş sivrisinekler için programa yardımcı olabileceği birkaç yol vardır.

Bunlardan biri, sivrisineklerin temel biyolojisini anlamaya yardımcı olmaktır. Ve bu bizim bölgedeki ilk çalışmalarımızdan biri, ne kadar yayılım olduğunu, popülasyon büyüklüğünün ne olduğunu, sivrisineklerin hayatta kalma oranının ne olduğunu tahmin etmeye çalışmak. Ve araştırma sonuçlarımızın bir özeti olan buna baktığımızda, biyolojinin izleyicilerin ilgisini çekebilecek bazı temel özellik kısımları var.

Her şeyden önce, bir köy görüyoruz, Mali'de işimizin büyük bir kısmını yaptığımız yerin dibinin köyü. Birkaç uyku evine sahip olabilecek yaklaşık 70 farklı bileşikten oluşur ve bunlar burada gösterilmiştir. Temelde çamurdan yapılmışlardır ve sivrisinekler istedikleri zaman içeri ve dışarı hareket edebilirler.

Günlük biyoloji, buradaki renkler tarafından yansıtılır. Bu gece. Alacakaranlık, sarı gündüz ve sivrisineklerin deseni her biri için farklı olduğunu varsayalım.

Örneğin, gündüzleri alacakaranlık olduğunda oldukları yerde kalacaklar, sonra hareket etmeye başlayacaklar ve dışarı çıkıp beslenecek veya yumurtalarını bırakacak yerler arayacaklar. Ve sonra akşam olduğunda, gecenin bir yarısı içeri girecekler, geri dönecekler ve her evin etrafındaki alanların, sivrisineklerin bilemek için kullandıkları CO2 ve vücut kokusunun gradyanını gösteren farklı bir renkte gösterildiğini görüyorsunuz. İlk yıl boyunca elde ettiğimiz ve bunun için kullandığımız en önemli sonuçlardan biri, bir köyün içindeki bir patlama içinde, bir veya iki veya üç gün nereye bırakırsak bırakalım, sivrisineklerin birkaç kilometreye homojen bir şekilde dağıldığını anlamaktı.

Dolayısıyla, sonraki modelleme açısından, a a a köyünün bir köy olduğunu söyleyebiliriz, Bir köy bir köydür. Köy içinde hiçbir ayrım yok. Ve o zaman mesele, köyler arasında ve sivrisineklerin farklı alt türleri arasında ne kadar hareket olduğudur.

Ve bir sonraki resim, farklı kromozomal formlar ve köyler arasındaki hareket hakkındaki mevcut anlayışımızı size gösterecektir. Tamam, az önce gördüğümüz videoda, bir veya iki gün içinde bir köyde çok fazla hareket olduğunu görüyoruz. Temelde homojendir, ancak gerçek hayatta burada gösterilenden çok daha fazla karmaşıklık vardır.

Her şeyden önce, sıtmayı bulaştıran sadece bir sivrisinek türü yoktur. Aslında, bu köyde birkaç tane var ve Bonham ve Mali, sadece tek bir tür var, anno Gambiya. Ancak bu tek türün, tabiri caizse, aynı yerde bulunan kromozomal formlar adı verilen birkaç farklı alt türü vardır.

Ve eğer geni popülasyona eklersek, transpoze edilebilir bir elementi tek bir forma sokarsak, hepsinin içinden geçmek zorunda kalacak. Ve çok karmaşık davranışlar ne olabilir, bunu gerçekten anlamanın tek yolu, onu daha iyi anlamak için bilgisayar simülasyonlarını kullanmaktır. Nüfus büyüklüğü yıl boyunca değişir.

Ve daha önce düşünmediğimiz köyden köye hareketin dahil edilmesi gerekiyor. Şimdi burada, size öğrencilerimin yaptığı bir filmden bir kare göstereyim, bu sorunu gösteriyor. İşte bir kromozomal form.

İşte bir tane daha, işte bir tane daha. Bunlara Mopti Savannah iCal formları denir. Sarı diskin boyutu, popülasyonun büyüklüğünü ifade eder.

Siyah çizginin yoğunluğu, bu konumda ne kadar gen akışının meydana geldiğini gösterir. Nijer Nigel Nehri akıyor ve ölçeklendirilecek disk muhtemelen buradan buraya 10, 15, 30 kilometre uzaklıkta. Öyleyse önce yıl boyunca neler olduğuna bakalım.

Burası çok kuru bir alan. Sahra'nın hemen altında Timbuktu çok uzakta değil, bu yüzden çölün kenarına oldukça yakın. Yılın büyük bir kısmı olan kurak mevsimde çok az sivrisinek vardır çünkü üreyecek yer yoktur.

Ancak yağmur mevsimi Haziran, Temmuz, Ağustos aylarında başlayıp Eylül, Ekim aylarına kadar uzadığında, çok sayıda sivrisinek elde edebiliriz. Çalıştığım bir alanda, kişi başına gecelik 500 bayttan fazla alıyorlar. Ama bu alanda o kadar da yüksek değil.

Bununla birlikte, mevsimsel varyasyon muazzamdır ve farklı kromozomal formlarla ve gen akışıyla bağlantılı olarak popülasyon büyüklüklerinde neler olup bittiğini gerçekten anlamak için bir film izlemeye yardımcı olur, bunların hepsi sonunda ne olduğu için önemli olacaktır. Eğer bir sürüm yapacaksak. İşte bir yıllık döngü.

Başlıyoruz, nüfus büyüklükleri oldukça küçük, burada da görebiliriz. Ve sonra Eylül, Ekim aylarına gelindiğinde, farklı köylerin her birinde oldukça büyük bir nüfusa sahip olduğumuzu ve farklı köyler arasında çok fazla gen akışına sahip olduğumuzu görüyorsunuz. Yıl kurak döneme geri döndükçe, popülasyon büyüklükleri tekrar azalır ve gen akışı da yavaş yavaş azalır.

Yani burada çok şey olduğunu görebilirsiniz. Ve genetiği tanıttığımızda, durum daha da kötüleşiyor. Sonuç olarak, gerçek bir anlayış elde etmek, tahminlerde bulunmak ve özellikle bunun için başarılı olacaksak yerine getirilmesi gereken koşulları belirlemek için bunların bazılarını tek tek görmemiz gerekiyor, hepsini bir arada bulundurmak, baktığımızdan farklı türde bir modele sahip olmak gerçekten yardımcı oluyor. Şimdi.

Bunun için, öğrencilerimden biri olan John Marshall'ın son bir veya iki yıldır üzerinde çalıştığı analitik modellere sahip olmak faydalı olacaktır. Tamam, ben John Marshall. Masa laboratuvarında yüksek lisans öğrencisiyim ve genetik olarak odaklanmış model modelleme çabalarından bazıları üzerinde çalışıyorum, bir popülasyon boyunca yayılırken transpoze edilebilir bir elementin parametrelerine odaklanıyorum, transpoze edilebilir bir element yayılıyor çünkü çoğalıyorlar ve çoğaldıkça daha sık kalıtılıyorlar.

Bu nedenle, bir dürtü ile sürülme ve geni bir popülasyona etkileme yeteneğine sahiptirler. Bu yüzden, örneğin, transpozisyon oranıyla, kondisyon maliyetindeki artışı nasıl atladığıyla ilgileniyoruz, ki bu genellikle trans transpozisyonun bir sonucudur. Ayrıca transpoze edilebilir eleman kopya sayısını artırdıkça, daha az sıklıkta transpoze olacaktır.

Yani bu karşı koyan dinamikler var ve bunu yakalamak için matematiksel modeller kullanılabilir. Bu yüzden burada, bu sefer sadece bir yıl değil, iki yıl boyunca takip eden daha karmaşık modellere bakacağız. Ve ek bir özelliğe sahip olacağız, transpoze edilebilir elemanın frekansı popülasyonun rengiyle gösteriliyor.

Bu nedenle, popülasyon boyutunun diskin boyutu olduğunu ve diskin renginin yer değiştirebilen öğenin frekansı olduğunu unutmayın. Burada, tüm popülasyonlarda çok düşük frekanslarla başlıyoruz. Ve yıl yavaş yavaş ilerledikçe, yağmur mevsimine girerken, nüfus büyüklüğünün arttığını ve başlangıçta serbest bırakma yasağının sadece tarafının kırmızı olduğunu görüyoruz.

Ve işte tüm pratik amaçlar için, yüzde yüz. Diğerleri hala yetersiz gen akışı almış durumdalar, bu yüzden hala hepsi dönüşmüş değil, ancak düşük gen akış oranlarına rağmen, ikinci yılda neredeyse her şeyin transpoze edilebilir elemente sahip olacağını görüyoruz. Bu değerlerle yapılan bu simülasyonun sonunda, yer değiştirebilir elemanın frekansı, keşfedilmekte olan tüm köylerde tüm alanlarda yüzde 99 ile yüzde yüz arasındadır.

John Marshall'ın analitik modellerle yaptığı çalışmaların, transpoze edilebilir elemanın popülasyon boyunca nasıl hareket ettiği konusunda transpozisyon oranının kritik bir özellik olduğunu gösterdiğini hatırlayacaksınız. Benzer şekilde, hangi kromozomal formu serbest bıraktığınız ve aynı zamanda büyük bir fark yaratır. Ve bu alternatif senaryo, üzerinde çalıştığımız pek çok senaryodan sadece biri, bunu Abaco formuna bıraktığımızda, mopti formuna değil, ve size başlangıçta gösterdiğimden daha küçük bir transpozisyon oranı kullandığımızı görüyoruz.

Bu belki de daha makul, daha kolay elde edilir, iki yıl sonra sonuç çok farklı olur. Burada iki yıllık bir döngü var ve bunu yarıda bırakacağım ki dikkate değer farkı görebilesiniz. Yine, nüfus artıyor, ama bu sefer onu MTI biçiminde değil, baco biçiminde nasıl serbest bıraktık.

Ve ikinci yılda, yağmur mevsiminin ortasında nüfus büyüklüğü arttığında, bakın, her yer eskisi gibi kırmızı değil. Ve dahası, tüm aktarma burada yer alıyor gibi görünüyor. Bunun nedeni, iCal formu ile MTI formu arasında, savan ile ve MTI arasındakinden çok daha az gen akışı olmasıdır.

Yani burada, yılın geri kalanını takip ederken, yüzde yüz olmak yerine, bir iCal form alanı genişliğinin artık sadece %20 olduğunu tercih ediyoruz. Savana sadece %8Ve mopti, pratik amaçlar için, deneyin tasarlanması veya değerlendirilmesi açısından yer değiştirebilen öğelerin hiçbirini almamıştır. Görüyorsunuz, bu simülasyonlara sahip olmamız ve sadece beklentilerimize rehberlik etmek için değil, aynı zamanda onları değerlendirmek için de kritik öneme sahip. Son olarak, bunun neredeyse hak ettiği ilgiyi görmeyen bir yönü var.

Ve bu etik düşüncedir. Şimdiye kadarki çalışmaların çoğu, işe yarayacak bir şey yapmaya çalışan genetik mühendisliği üzerineydi. Ama aslında, sahip olsak bile, bu işe yarıyor.

Serbest bırakılırsa ne olacak? Ya bir şeyler ters giderse? Bu sivrisineklerin çok ciddi hastalıklar bulaştırdığını unutmayın.

Ya süper böcekler haline gelirlerse ve daha etkili bir şekilde iletmeye başlarlarsa? Ya da varsa, antibiyotikleri var ve bunu diğer türlere yayıyorlar. Ya da alternatif olarak, belki de geçmişte bulaştıramadıkları diğer hastalıkları bulaştırmaya başlayacaklar.

Bunlar, olabilecek çok sayıda korkunç şeyden sadece üçü. Ve çalışmak için herhangi bir deneysel temelden yoksun olduğumuz için, politikalarımızı bilgisayar modellerine dayanarak formüle etmek zorundayız. Bunu yapmanın birkaç yolu vardır.

John, yanlış giden şeylerin sadece bir yönüne bakıyor, ama belli ki çok daha fazlası var. Ve yapmamız gereken ve henüz yapmadığımız bir şey, sorunların yeterince kötü olduğunu söyleyen modeller yapmak, durmalıyız ve işte geçmişte yanlış giden şeyleri nasıl düzeltiriz. Umarım hiçbir zaman bu bilgilere göre hareket etmek zorunda kalmayız, ancak tıpkı tüm olasılıklar için bilgisayar modellerine sahip olmak ve birini aya indirmek gibi, genetiği değiştirilmiş sivrisinekleri serbest bıraktıktan sonra ne olacağına dair tüm olasılıkların simülasyonlarına da sahip olmalıyız.

Dolayısıyla bu modelleme çabaları ve bu segmentte konuşulan diğer modelleme çabaları, projenin işe yarayıp yaramayacağını değerlendirmek için önemlidir. Ekolojik ölçekte deneyler yapamazsınız çünkü bu bir deney değil, gerçek sürümdür. Bu nedenle, bazı parametre ölçümlerine sahip olmak ve ardından modelin nasıl çalıştığına dair bir konsepte sahip olmak ve ardından işe yarayıp yaramayacağı, işe yarayıp yaramayacağı hakkında bir fikir vermek önemlidir.

Ek olarak, moleküler biyologlara hangi parametrelerin ölçülmesi gerektiği, hangi parametrelerin ölçülmesinin önemli olduğu ve bunları ölçerken ne tür değerlerin projenin başarısı için önemli olduğu konusunda önerilerde bulunmak modelleme çalışmaları için önemlidir.