توقع فعالية استراتيجية استبدال السكان الذين يستخدمون النمذجة الرياضية

لا يمكنك إجراء تجارب على النطاق البيئي لأن ذلك لا يُعد تجربة، بل هو الإطلاق الفعلي. ماذا لو حدث خطأ ما؟

تذكر أن هذه البعوضات تنقل عدداً من الأمراض الخطيرة للغاية. ماذا لو تحولت إلى حشرات خارقة وبدأت في نقل هذه الأمراض بشكل أكثر فعالية؟ وربما تبدأ في نقل أمراض أخرى لم تكن قادرة على نقلها في الماضي.

يجب علينا حقاً صياغة سياساتنا بناءً على نماذج حاسوبية، تماماً كما استُخدمت النماذج الحاسوبية لجميع الاحتمالات عند إنزال إنسان على سطح القمر. وبالمثل، يجب أن يكون لدينا محاكاة لجميع الاحتمالات لما قد يحدث بعد إطلاق البعوض المعدل بواسطة gene ape. اسمي تشارلز تايلور.

أنا أعمل في جامعة كاليفورنيا لوس أنجلوس في قسم البيئة وعلم الأحياء التطوري مع طلابي وباحثي ما بعد الدكتوراه. لقد كنت أعمل على الجوانب الرياضية لمحاولة استخدام البعوض المعدل وراثياً للسيطرة على الملاريا. لقد اتبعنا عدة مناهج مختلفة للقيام بذلك بالنسبة لأجزاء مختلفة من هذه المشكلة.

واليوم سأعرض لكم جانباً من العمل الذي أنجزناه خلال السنوات القليلة الماضية، وسأعرفكم على أحد طلابي، جون مارشال. إن النمذجة التي نقوم بها تتخذ عدة أشكال مختلفة؛ فأولاً، هناك ميزات بيولوجية أساسية يجب فهمها وتتطلب إجراء نمذجة.

على سبيل المثال، ما هو حجم المجتمع، ومعدل البقاء، والحركة، وستشاهد بعض الأمثلة على ذلك. ثم الشيء التالي هو فهم ما إذا كنا سنقوم بإطلاق عنصر قابل للنقل، فإننا نعلم أن هناك على الأقل 2050 متغيرًا من المرجح أن تكون مهمة. وأحيانًا يكون من الصعب تقدير هذه الأهمية بمجرد الحجج الشفهية، لذا نرغب في الحصول على نماذج رياضية جيدة لنكون دقيقين حقًا ولتقديم تصريحات مثل: إذا كان هذا سيؤتي ثماره، فيجب أن تكون لياقة البعوضة التي تم نقل العنصر إليها كذا وكذا، أو يجب أن تكون حركة البعوضة على النحو التالي.

وهكذا، ستلاحظون أننا قمنا ببعض العمل التحليلي في هذا الصدد. تكمن المشكلة التالية في عدم الاكتفاء باشتقاق التوقعات، بل تقييم ما يحدث بعد الإطلاق الأولي. فإذا أجرينا اختباراً في تلك المرحلة وحصلنا على بعض النتائج، فماذا يعني ذلك؟

هل يعني هذا أننا حققنا النجاح أم أننا فشلنا؟ ولذلك، هناك حاجة إلى عمليات محاكاة أكثر تعقيداً لهذا الغرض. وبشكل عارض، هذا هو السبب الذي جعلنا نُدرج في البداية ضمن النموذج، هذه المجموعة الرابعة.

وبعد ذلك نواجه المشكلات الأكثر خطورة، لا سيما المشكلات المتعلقة بالاعتبارات الأخلاقية. ما الذي قد يحدث بشكل خاطئ؟ وما مدى خطورة الأمور التي قد تسير على نحو خاطئ؟

إذا كان لدينا قاعدة توقف جيدة، فيجب أن نكون واضحين جداً بشأنها وأن نعرف ما سنفعله لمعالجة الموقف في حال حدوث خطأ ما. لنفترض أننا قمنا بإنشاء بعوضة خارقة. كانت الدراسات الأولى التي أجريناها تهدف ببساطة إلى تحديد المعلمات الأساسية وقيمها في المجموعات السكانية.

ما هي أحجام المجموعات السكانية؟ وكم يبلغ مقدار التدفق الجيني؟ وما هو معدل البقاء اليومي للبعوض في هذه المنطقة؟

لقد استخدمنا طريقة تقليدية راسخة للغاية تسمى طريقة "العلامة والإطلاق وإعادة الاصطياد". وللقيام بذلك، تعتمد آلية عمل هذه الطريقة على قيامنا أولاً باصطياد عدد كبير من البعوض، وليكن ألف بعوضة مثلاً؛ حيث نذهب إلى القرى ونقوم بسحبها من الجدران باستخدام جهاز الشفط، ثم نضعها في قارورة، وبعد ذلك نضع عليها كمية صغيرة من مسحوق يتألق تحت الأشعة فوق البنفسجية (uv)، وهو مشابه للمسحوق المستخدم في صناعة الدهانات في المتاجر أو الأدوات المهلوسة.

وبعد تمييزها، نقوم بإطلاقها مرة أخرى، ثم نصطادها من الجدران في الليالي التالية. وبناءً على عدد البعوض المعاد صيده ومواقع صيده، يمكننا استخلاص استنتاجات باستخدام نماذج رياضية حول حجم الجماعة، والمسافة التي تقطعها في تحركاتها، ومدى قدرتها على البقاء. وفي هذا الفيديو الأول، ستشاهد ملخصاً للنتائج الرئيسية لتجاربنا الأولى. هناك عدة طرق يمكن للنمذجة من خلالها دعم برنامج البعوض المعدل وراثياً.

أحد هذه الأهداف هو ببساطة المساعدة في فهم البيولوجيا الأساسية للبعوض. وهذا يمثل جزءاً من أعمالنا الأولى في هذا المجال، حيث نحاول تقدير مدى وكيفية حدوث الانتشار، وما هو حجم الجماعة، وما هي معدلات بقاء البعوض على قيد الحياة؟ وبالنظر إلى هذا الملخص لنتائج أبحاثنا، هناك بعض الجوانب والميزات البيولوجية الأساسية التي قد تهم المشاهدين.

بدايةً، نرى قرية، وهي قرية "bottom body" حيث أنجزنا جزءاً كبيراً من عملنا في مالي. وتتكون هذه القرية من حوالي 70 مجمعاً سكنياً مختلفاً قد يحتوي كل منها على عدة منازل للنوم، وهي موضحة هنا. هذه المنازل مبنية أساساً من الطين، مما يسمح للبعوض بالدخول والخروج منها بحرية.

تنعكس البيولوجيا اليومية من خلال الألوان الموضحة هنا. هذا هو الليل. وافترض أن الشفق، واللون الأصفر يمثل وقت النهار، حيث يختلف نمط البعوض لكل منها.

على سبيل المثال، خلال فترة النهار، تظل البعوضات في أماكنها وعندما يحل الغسق، تبدأ في التحرك والخروج للبحث عن أماكن للتغذية أو لوضع بيوضها. ثم عندما يحل المساء، وفي منتصف الليل، تعود مرة أخرى؛ وتلاحظ أن المناطق المحيطة بكل منزل تظهر بلون مختلف يوضح تدرج CO2 ورائحة الجسم التي يستخدمها البعوض لتحديد وجهته. ومن أهم النتائج التي توصلنا إليها خلال السنة الأولى، والتي استُخدمت لهذا الغرض، هي فهم أنه داخل قرية ما، وبغض النظر عن مكان إطلاقها بعد يوم أو يومين أو ثلاثة، فإن البعوض يتوزع بشكل متجانس على مدى عدة كيلومترات.

لذا، من وجهة نظر النمذجة اللاحقة، يمكننا القول إن القرية هي مجرد قرية، ولا يوجد تمييز داخل القرية الواحدة. وتكمن المسألة حينئذٍ في مقدار الحركة التي تحدث بين القرى وبين الأنواع الفرعية المختلفة من البعوض.

سيوضح لك الرسم التوضيحي التالي فهمنا الحالي حول الأشكال الكروموسومية المختلفة وحول الحركة بين القرى. حسناً، في الفيديو الذي شاهدناه للتو، نرى أن هناك الكثير من الحركة داخل القرية الواحدة خلال يوم أو يومين. إنها متجانسة بشكل أساسي، ولكن هناك تعقيدات أكثر بكثير في الحياة الواقعية مما هو موضح هنا.

أولاً، لا يوجد نوع واحد فقط من البعوض الذي ينقل الملاريا. في الواقع، هناك عدة أنواع في هذه القرية، أما في بونهام ومالي، فلا يوجد سوى نوع واحد وهو An. gambiae. ولكن هذا النوع الواحد لديه عدة سلالات فرعية مختلفة، إذا جاز التعبير، تسمى الأشكال الكروموسومية والتي تتواجد في الموقع نفسه.

وإذا قمنا بإدراج الجين في المجموعة السكانية، أي عنصر قابل للنقل في شكل واحد، فسيكون عليه أن ينتقل عبر جميع أفرادها. وقد يتم ذلك بطرق معقدة للغاية، والطريقة الوحيدة لفهم ذلك حقاً هي استخدام محاكاة حاسوبية لمزيد من الفهم. كما يتغير حجم المجموعة السكانية على مدار العام.

ويجب دمج الحركة من قرية إلى أخرى، وهو أمر لم نفكر فيه من قبل. لذا، دعوني أعرض لكم إطاراً من أحد الأفلام التي صنعها طلابي والتي توضح المشكلة. إليكم هنا شكلاً صبغياً واحداً.

إليك نموذج آخر، وهنا نموذج آخر. تُسمى هذه النماذج نماذج Mopti Savannah iCal. ويشير حجم القرص الأصفر إلى حجم الجماعة الأحيائية.

توضح كثافة الخط الأسود مقدار التدفق الجيني الذي يحدث من مكان لآخر في هذا الموقع. يتدفق هنا نهر النيجر، ومقياس القرص يمثل على الأرجح 10 أو 15 أو 30 كيلومتراً من هذه النقطة إلى تلك. لذا، دعونا ننظر أولاً فيما يحدث على مدار العام.

هذه منطقة جافة للغاية، وتقع أسفل الصحراء الكبرى مباشرةً. كما أن مدينة تمبكتو ليست بعيدة جداً، مما يجعل هذه المنطقة قريبة جداً من حافة الصحراء. وخلال موسم الجفاف، الذي يستمر معظم أيام السنة، يقل وجود البعوض بشكل كبير لعدم توفر أماكن للتكاثر.

ولكن بمجرد أن يبدأ موسم الأمطار في يونيو ويوليو وأغسطس ويمتد حتى سبتمبر وأكتوبر، يمكننا حينئذٍ أن نحصل على أعداد هائلة من البعوض. في إحدى المناطق التي أعمل بها، يتجاوز عدد اللدغات 500 لدغة للشخص الواحد في الليلة، ولكن في هذه المنطقة لا يصل العدد إلى هذا الحد.

ومع ذلك، فإن التباين الموسمي هائل، ويساعد مشاهدة مقطع فيديو في فهم ما يحدث حقاً لأحجام المجموعات السكانية بالتزامن مع الأشكال الكروموسومية المختلفة وتدفق الجينات؛ فكل هذه العوامل ستكون مهمة فيما سيتم القيام به في نهاية المطاف، إذا كنا سنقوم بعملية إطلاق. إليكم دورة سنوية واحدة.

في البداية، تكون أحجام المجموعات صغيرة إلى حد ما، كما يمكننا أن نرى هنا. ثم بحلول شهري سبتمبر وأكتوبر، نلاحظ أن لدينا أحجام مجموعات كبيرة جداً في كل قرية من القرى المختلفة، وهناك تدفق جيني كبير بين هذه القرى. ومع استمرار العام والعودة إلى الفترة الجافة، تتضاءل أحجام المجموعات مرة أخرى، كما يتضاءل التدفق الجيني تدريجياً أيضاً.

وبالتالي، يمكنكم ملاحظة أن هناك العديد من العمليات التي تحدث هنا. وعندما ندخل العوامل الوراثية، يصبح الوضع أكثر تعقيداً. وبناءً على ذلك، يتعين علينا دراسة بعض هذه الأمور بشكل فردي، وليس جميعها معاً، من أجل الوصول إلى فهم حقيقي، ووضع التوقعات، وبالأخص تحديد الشروط التي يجب استيفاؤها لضمان النجاح؛ ولتحقيق ذلك، سيكون من المفيد جداً تجميع كل هذه العناصر معاً في نوع من النماذج يختلف عما كنا ننظر إليه حتى الآن.

ولتحقيق ذلك، من المفيد الاعتماد على النماذج التحليلية، وهو ما عمل عليه أحد طلابي، جون مارشال، خلال العام أو العامين الماضيين. حسناً، أنا جون مارشال، طالب دراسات عليا في مختبر تابل، وقد عملت على بعض جهود النمذجة الأكثر تركيزاً على الجوانب الجينية، مع التركيز على معايير العنصر القابل للنقل أثناء انتشاره في مجموعة سكانية؛ حيث ينتشر العنصر القابل للنقل لأنه يتضاعف، ومع تضاعفه، يتم توريثه بشكل متكرر.

وبذلك فهي تمتلك القدرة على أن يتم توجيهها عبر عملية دفع جيني وإدخال الجين في مجموعة سكانية. لذا فنحن مهتمون، على سبيل المثال، بمعدل الانتقال، أي السرعة التي يقفز بها، والزيادة في تكلفة اللياقة، والتي غالباً ما تكون نتيجة لعملية الانتقال. وأيضاً، مع زيادة عدد نسخ العنصر القابل للنقل، فإنه سينتقل بوتيرة أقل تكراراً.

وبالتالي، هناك تلك الديناميكيات المتضادة، ويمكن استخدام النماذج الرياضية لرصد ذلك. لذا، سنلقي نظرة هنا على النماذج الأكثر تعقيداً هذه المرة من خلال تتبعها على مدار عامين، وليس عاماً واحداً فقط. وسيكون لدينا ميزة إضافية تتمثل في توضيح تواتر العنصر القابل للنقل من خلال لون المجتمع.

لذا تذكروا أن حجم المجتمع يمثله حجم القرص، وأن لون القرص يمثل تردد العنصر القابل للنقل. نبدأ هنا بترددات منخفضة جداً في جميع المجتمعات. ومع تقدم العام ببطء، نلاحظ مع دخول موسم الأمطار أن حجم المجتمع يزداد، وفي البداية يكون لون نطاق الإصدار الجانبي فقط هو الأحمر.

وهنا، لأغراض عملية، تصل النسبة إلى مائة بالمائة. أما المجموعات الأخرى فلا تزال تتلقى تدفقاً جينياً غير كافٍ بحيث لم تتحول جميعها بعد، ولكن على الرغم من انخفاض معدلات التدفق الجيني، نلاحظ أنه بحلول السنة الثانية سيكون كل شيء تقريباً قد اكتسب العنصر القابل للنقل. لذا، في نهاية هذه المحاكاة بهذه القيم، يتراوح تردد العنصر القابل للنقل بين 99 و100% في جميع المناطق، في جميع القرى التي يتم استكشافها.

سوف تتذكرون أن دراسات جون مارشال باستخدام النماذج التحليلية تظهر أن معدل الانتقال هو سمة حاسمة في كيفية تحرك العنصر القابل للنقل عبر المجتمع. وبالمثل، فإن شكل الكروموسوم الذي تطلقه يحدث فرقاً كبيراً أيضاً. وفي هذا السيناريو البديل، وهو مجرد واحد من العديد من السيناريوهات التي درسناها، نرى أنه عندما نطلقه في شكل Abaco، وليس شكل mopti، وأننا نستخدم معدل انتقال أصغر من ذلك الذي عرضته لكم في الأصل.

ربما يكون هذا السيناريو أكثر منطقية وأسهل تحقيقاً، حيث تختلف النتيجة بشكل كبير بعد عامين. إليكم دورة مدتها عامان، وسأقوم بإيقافها في منتصف الطريق حتى تتمكنوا من رؤية الفرق الملحوظ. مرة أخرى، يزداد عدد السكان، ولكن في هذه المرة قمنا بإطلاقه في شكل baco، وليس في شكل MTI.

وعندما، في السنة الثانية، عندما يزداد حجم الجماعة خلال منتصف موسم الأمطار، انظر هنا، لا تظهر المنطقة باللون الأحمر في كل مكان كما كانت من قبل. وعلاوة على ذلك، يبدو أن جميع عمليات الانتقال تتركز هنا. وذلك لأن تدفق الجينات بين نمط iCal ونمط MTI أقل بكثير مما هو عليه بين السافانا ونمط mti.

لذا، هنا، وبينما نتابع بقية العام، بدلاً من أن تكون بنسبة مائة بالمائة، نجد أن منطقة a iCal على نطاق واسع أصبحت الآن 20% فقط، والسافانا 8% فقط، أما mopti، ولأغراض عملية، فلم تتلقَ أيًا من العناصر القابلة للنقل من منظور تصميم التجربة أو تقييمها. كما ترون، من الضروري أن تتوفر لدينا هذه المحاكاة، ليس فقط لتوجيه توقعاتنا، بل لتقييمها أيضًا. وأخيرًا، هناك جانب في هذا الأمر لم يحظَ بالاهتمام الذي يستحقه تقريبًا.

وهذا هو الاعتبار الأخلاقي. لقد تركز معظم العمل حتى الآن على الهندسة الوراثية في محاولة لابتكار شيء فعال. ولكن في الواقع، حتى لو توصلنا إلى شيء فعال.

ماذا سيحدث في حال إطلاقها؟ وماذا لو حدث خطأ ما؟ تذكر أن هذه البعوض ينقل عدداً من الأمراض الخطيرة للغاية.

ماذا لو تحولوا إلى جراثيم خارقة وبدأوا في الانتقال بشكل أكثر فعالية؟ أو إذا كانت لديهم مضادات حيوية ونقلوها إلى أنواع أخرى. أو بدلاً من ذلك، ربما يبدأون في نقل أمراض أخرى لم يتمكنوا من نقلها في الماضي.

هذه ليست سوى ثلاثة من مجموعة كبيرة جداً من الأمور المروعة التي قد تحدث. ونظراً لافتقارنا إلى أي أساس تجريبي للدراسة، يتعين علينا حقاً صياغة سياساتنا بناءً على نماذج حاسوبية. وهناك عدة طرق يمكن من خلالها القيام بذلك.

ينظر جون إلى جانب واحد فقط من الأمور التي قد تسير بشكل خاطئ، ولكن من الواضح أن هناك العديد من الجوانب الأخرى. وهناك أمر واحد سيتعين علينا القيام به ولم نفعله بعد، وهو إنشاء نماذج توضح متى تصبح المشكلات سيئة لدرجة تستوجب التوقف، وكيفية معالجة ما حدث من أخطاء في الماضي. نأمل ألا نضطر أبدًا للعمل بناءً على تلك المعلومات، ولكن تمامًا كما تم وضع نماذج حاسوبية لجميع الاحتمالات لإرسال شخص إلى القمر، فإننا أيضًا بحاجة إلى محاكاة لجميع الاحتمالات لما قد يحدث بعد إطلاق البعوض المعدل وراثيًا.

لذا فإن جهود النمذجة هذه وجهود النمذجة الأخرى التي تمت مناقشتها في هذا الجزء تعد مهمة لتقييم ما إذا كان المشروع سينجح أم لا. فلا يمكنك إجراء تجارب على النطاق البيئي لأن ذلك لا يُعد تجربة، بل هو عملية إطلاق فعلية. لذا فمن المهم الحصول على بعض قياسات المعاملات، ثم تكوين تصور حول كيفية عمل الأشياء من خلال النموذج، ومن ثم إعطاء فكرة عما إذا كان المشروع سينجح أم لا.

بالإضافة إلى ذلك، من المهم أن تقدم جهود النمذجة توصيات لعلماء الأحياء الجزيئية بشأن المعايير التي يجب قياسها، والمعايير التي يتسم قياسها بالأهمية، وعندما يقومون بقياسها، ما هي نوعية القيم الضرورية لنجاح المشروع.