Fysiker Nigel Goldenfeld hater biologi: "I det minste ikke i den formen jeg ble lært opp på skolen," sier han. “Det var som et spekter av fakta. Det var praktisk talt ingen presis kvantitativ analyse. " Denne holdningen kan overraske alle som ser på de mange prosjektene Goldenfeld laboratorium jobber med.
Han og kollegene overvåker den kollektive og individuelle atferden til honningbier, analyserer biofilmer, ser på gener hoppe, vurdere mangfoldet i livet i økosystemer og utforske forholdet til mikrobiomer.
Goldenfeld er sjef for NASAs astrobiologiinstitutt for generell biologi, men han tilbringer ikke mesteparten av tiden sin i fysikkavdelingen ved University of Illinois, men i sitt biologiske laboratorium på campus i Urbana-Champaign.
Nigel Goldenfeld er ikke den eneste fysikeren som prøver å løse problemer innen biologi. På 1930-tallet endret Max Delbrück begrepet virus. Senere publiserte Erwin Schrödinger Hva er livet? Det fysiske aspektet av en levende celle. Francis Crick, en pioner innen røntgenkrystallografi, bidro til å avdekke strukturen til DNA.
Goldenfeld ønsker å dra nytte av sin kunnskap om teori om kondensert materie. I studiet av denne teorien simulerer han utviklingen av en prøve i et dynamisk fysisk system for bedre å forstå forskjellige fenomener (turbulens, faseoverganger, trekk ved geologiske bergarter, finansmarkedet).
En interesse for den fremvoksende tilstanden av materien førte fysikere til et av de største biologiske mysteriene - selve livets opprinnelse. Det var fra denne oppgaven den nåværende grenen av forskningen hans utviklet.
"Fysikere kan stille spørsmål annerledes," er Goldenfeld overbevist. “Motivasjonen min har alltid vært å se i biologien etter områder der en slik tilnærming ville være fornuftig. Men for å lykkes, må du jobbe med biologer og faktisk bli en selv. Fysikk og biologi er like nødvendige."
Quanta snakket med Goldenfeld om kollektive fenomener i fysikk og utvidelsen av den syntetiske evolusjonsteorien. De diskuterte også bruken av kvantitative og teoretiske verktøy fra fysikk for å løfte mysteriets slør som omgir tidlig liv på jorden og samspillet mellom cyanobakterier og rovvirus. Følgende er et sammendrag av denne samtalen.
Salgsfremmende video:
Fysikk har en grunnleggende konseptuell struktur, mens biologi ikke gjør det. Prøver du å utvikle en generell teori om biologi?
“Gud, selvfølgelig ikke. Det er ingen eneste teori innen biologi. Evolusjon er det nærmeste du kan bringe det. Biologien i seg selv er et resultat av evolusjonen; livet i all sin mangfoldighet og uten unntak har utviklet seg som et resultat av evolusjonen. Det er nødvendig å virkelig forstå evolusjonen som en prosess for å forstå biologien.
Hvordan kan kollektive effekter fra fysikkfeltet utfylle vår forståelse av evolusjon?
Når du tenker på evolusjon, pleier du å tenke på populasjonsgenetikk, om repetisjon av gener i en populasjon. Men hvis du ser på Last Universal Common Ancestor (stamfaren til alle andre organismer, som vi kan spore gjennom fylogenetikk), vil du forstå at dette ikke er helt begynnelsen på livets opprinnelse.
Før det var det definitivt en enda enklere livsform - en form som ikke en gang hadde gener når det ikke var noen arter ennå. Vi vet at evolusjon er et mye bredere fenomen enn populasjonsgenetikk.
Den siste universelle felles stamfar bodde for 3,8 milliarder år siden. Planet Earth er 4,6 milliarder år gammel. Livet i seg selv har reist fra begynnelsen til kompleksiteten til den moderne cellen på mindre enn en milliard år. Sannsynligvis enda raskere: Siden den gang har relativt få utvikling skjedd i utviklingen av cellestrukturen. Det viser seg at evolusjonen har gått tregt de siste 3,5 milliarder årene, men veldig raskt i begynnelsen. Hvorfor har livet utviklet seg så raskt?
Karl Woese (biofysiker, død 2012) og jeg trodde at utviklingen i utgangspunktet skjedde på en annen måte. I vår tids utvikling utvikler livet seg gjennom "vertikal" arv: du overfører genene dine til barna dine, de, i sin tur, til barna deres, og så videre. Den "horisontale" overføringen av gener gjennomføres mellom organismer som ikke er forbundet med hverandre.
Dette skjer nå i bakterier og andre organismer med gener som ikke er veldig viktige i cellestrukturen. For eksempel gener som gir resistens mot antibiotika - takket være dem skaffer bakterier seg beskyttelse mot medikamenter så raskt. I de tidlige faser av livet ble imidlertid til og med den grunnleggende mekanismen til cellen overført horisontalt.
Tidligere var livet en kumulativ tilstand og var mer et samfunn tett sammensveiset av genutveksling enn bare en samling av individuelle former. Det er mange andre eksempler på kollektive tilstander, for eksempel en koloni med bier eller en flokk fugler, der kollektivet ser ut til å ha sin egen personlighet og oppførsel, som stammer fra elementene og måtene de samvirker på. Tidlig liv ble kommunisert gjennom genoverføring.
Hvordan vet du?
"Vi kan forklare en så rask og optimal utvikling av livet bare hvis vi tillater effekten av dette" tidlige nettverket "og ikke [familie] treet. For omtrent ti år siden oppdaget vi at denne teorien gjelder den genetiske koden, for reglene som forteller cellen hvilke aminosyrer som skal brukes til å lage protein. Hver organisme på planeten har den samme genetiske koden med minimale forskjeller.
På 1960-tallet var Karl den første som kom med ideen om at den genetiske koden vi har er så god som mulig for å minimere feil. Selv om du får feil aminosyre på grunn av en mutasjon eller en feil i den cellulære transportmekanismen, vil den genetiske koden nøyaktig bestemme aminosyren du skal få. Så, du har fremdeles en sjanse for at proteinet du produserer vil fungere og kroppen din ikke vil dø.
David Haig (Harvard) og Lawrence Hirst (University of Bath) var de første som demonstrerte at denne ideen kan evalueres kvalitativt ved hjelp av Monte Carlo-metoden: de prøvde å finne ut hvis den genetiske koden er mest motstandsdyktig mot slike feil. Og vi ble selv svaret. Dette er virkelig en oppsiktsvekkende oppdagelse, men ikke så utbredt som den burde være.
Senere utførte Karl og jeg sammen med Kalin Vestigian (University of Wisconsin i Madison) virtuelle simuleringer av grupper av organismer med mange kunstige, hypotetiske genetiske koder. Vi laget datavirusmodeller som etterlignet levende systemer: De hadde et genom, uttrykte proteiner, de kunne reprodusere seg selv, overleve utvalg, og deres tilpasningsevne var en funksjon av deres egne proteiner.
Vi fant at ikke bare genomene deres utviklet seg. Deres genetiske år utviklet seg også. Når det gjelder vertikal evolusjon (mellom generasjoner), blir den genetiske koden aldri unik eller optimal. Men når det gjelder den "kollektive nettverkseffekten", så utvikler den genetiske koden seg raskt til den unike optimale tilstanden som vi observerer i dag.
Disse funnene, og spørsmål om hvordan livet kunne ha tilegnet seg disse genetiske kodene så raskt, antyder at vi burde se tegn på horisontal genoverføring tidligere enn for eksempel i Last Universal Common Ancestor. Og vi ser dem: noen av enzymene som er assosiert med hovedmekanismen for celleoversettelse og genuttrykk viser sterke bevis for tidlig horisontal genoverføring.
Hvordan kunne du stole på disse konklusjonene?
- Tommaso Biancalani og jeg (nå på MIT) gjennomførte en studie for omtrent ett år siden - vår artikkel om ham ble publisert - at livet automatisk slår av horisontal genoverføring så snart det ble komplisert nok. Når vi simulerer denne prosessen, slås den i utgangspunktet av seg selv. Det blir gjort forsøk på å utføre horisontal genoverføring, men nesten ingenting tar rot. Da er den eneste dominerende evolusjonsmekanismen vertikal evolusjon, som alltid har vært til stede. Vi prøver nå å gjøre eksperimenter for å se om kjernen helt har gjort overgangen fra horisontal til vertikal overføring.
Er det på grunn av denne tilnærmingen til tidlig evolusjon at du sa at vi skulle snakke annerledes om biologi?
Folk har en tendens til å tenke på evolusjon som synonymt med populasjonsgenetikk. Jeg tror dette i prinsippet er riktig. Men egentlig ikke. Evolusjon fant sted allerede før gener eksisterte, og dette kan ikke forklares med statistiske modeller for populasjonsgenetikk. Det er kollektive evolusjonsmåter som også må tas på alvor (for eksempel prosesser som horisontal genoverføring).
Det er i denne forstand at vår forståelse av evolusjonen som en prosess er for smal. Vi må tenke på dynamiske systemer og hvordan det er mulig at systemer som er i stand til å utvikle og reprodusere i det hele tatt er i stand til å eksistere. Når du tenker på den fysiske verdenen, er det ikke åpenbart hvorfor du ikke gjør flere døde ting.
Hvorfor har planeten evnen til å støtte livet? Hvorfor eksisterer til og med livet? Evolusjonens dynamikk bør kunne løse dette problemet. Det er bemerkelsesverdig at vi ikke en gang har en ide om hvordan vi løser dette problemet. Og gitt at livet begynte som noe fysisk, ikke biologisk, uttrykker han en fysisk interesse.
Hvordan passer arbeidet ditt med cyanobakterier i anvendelsen av teorien om kondensert materie?
- Min doktorgradsstudent Hong-Yang Shi og jeg modellerte et økosystem av en organisme som heter Prochlorococcus, et cyanobakterium som lever i havet og bruker fotosyntese. Jeg tror denne organismen kan være den mest tallrike cellulære organismen på planeten.
Det er virus, "fager" som bytter bakterier. For et tiår siden oppdaget forskere at disse fagene også har gener for fotosyntesen. Du tenker vanligvis ikke på et virus som noen som trenger fotosyntesen. Så hvorfor bærer de disse genene?
”Det ser ut til at bakterier og fager ikke oppfører seg akkurat som en rovdyr-byttemodell. Bakterier nytter fager. Faktisk kan bakterier forhindre at fager angriper dem på forskjellige måter, men det gjør de ikke, i hvert fall ikke helt. Fagfotosyntetiske gener kom opprinnelig fra bakterier - og overraskende overførte fagene dem tilbake til bakteriene. I løpet av de siste 150 millioner årene har genene for fotosyntese beveget seg mellom bakterier og fager flere ganger.
Det viser seg at gener utvikler seg mye raskere i virus enn i bakterier, fordi replikasjonsprosessen for virus er mye kortere og mer sannsynlig å gjøre feil (replikasjon er prosessen med å syntetisere et dattermolekyl av deoksyribonukleinsyre på malen til foreldre-DNA-molekylet - ikke mer).
Som en bivirkning av fagjakt på bakterier, blir bakteriene gener noen ganger ført inn i virus, der de kan spre seg, utvikle seg raskt og deretter vende tilbake til bakterier, som deretter kan dra nytte av det. Derfor var fager gunstige for bakterier. For eksempel er det to stammer av Prochlorococcus som lever på forskjellige dybder. En av disse økotypene er tilpasset for å leve nærmere overflaten, der lyset er mye mer intenst, og forskjellen i frekvensene er større. Denne tilpasningen kan skyldes at virus har utviklet seg raskt.
Virus drar også fordel av gener. Når et virus infiserer en vert og replikerer seg, avhenger antall nye virus det skaper av hvor lenge den fangede cellen kan overleve. Hvis viruset bærer livssupportsystemet (gener for fotosyntesen), kan det holde cellen lenger for å lage flere kopier av viruset.
Et virus som bærer gener for fotosyntesen har et konkurransefortrinn i forhold til det som ikke gjør det. Det er avlspress på virus for å overføre gener som gagner verten. Du kan forvente at fordi virus muteres så raskt, vil genene raskt "brytes ned". Men som et resultat av beregninger fant vi at bakterier filtrerer "gode" gener og overfører dem til virus.
Derfor er dette en søt historie: samspillet mellom disse bakteriene og virusene ligner oppførselen til et stoff i en kondensert tilstand - dette systemet kan modelleres for å forutsi dens egenskaper.
Vi snakket om en fysisk tilnærming til biologi. Har du sett det motsatte da biologi-inspirerte fysikk?
- Ja. Jeg jobber med turbulens. Når jeg kommer hjem, er det hun som holder meg våken om natten. I en artikkel som ble publisert i fjor i Nature Physics, ønsket Hong-Yan Shin, Tsung-Lin Sheng, og jeg å forklare i detalj hvordan en væske i et rør går fra en plastisk tilstand, der den flyter jevnt og forutsigbart, til en tilstand av turbulens, der dens oppførsel er uforutsigbar. og feil.
Vi fant ut at turbulensen før overgangen oppfører seg som et økosystem. Det er et spesielt dynamisk regime med væskestrøm, som ligner et rovdyr: det prøver å "spise" turbulens, og samspillet mellom dette regimet og den resulterende turbulensen fører til noen av fenomenene du ser når væsken blir turbulent.
Til slutt antar arbeidet vårt at en viss type faseovergang skjer i væsker, og det er dette eksperimentene bekrefter. Siden fysikkproblemet viste seg å være egnet til å løse dette biologiske problemet - om forholdet mellom rovdyr og byttedyr - visste Hong-Yan og jeg hvordan de skulle etterligne og simulere et system og gjengi hva folk ser i eksperimenter. Å vite biologi hjalp oss virkelig med å forstå fysikk.
Er det noen begrensninger for den fysiske tilnærmingen til biologi?
- Det er fare for å gjenta bare det som er kjent, så du kan ikke komme med noen nye spådommer. Men noen ganger blir abstraksjonen eller minimale representasjonen din forenklet, og du mister noe i prosessen.
Du kan ikke tenke for teoretisk. Du bør rulle opp ermene for å studere biologi, være nært forbundet med reelle eksperimentelle fenomener og reelle data.
Det er grunnen til at arbeidet vårt utføres i samarbeid med eksperimenter: sammen med kolleger samlet jeg mikrober fra de varme kildene i Yellowstone nasjonalpark, så på de "hoppende" genene i levende celler i sanntid, sekvensert (sekvensering - bestemmelse av aminosyren eller nukleotidsekvensen - ca. - tarmmikrobiom hos virveldyr. Hver dag jobber jeg ved Institute of Genomic Biology, selv om fysikk er mitt "innfødte" felt.
Jordana Cepelewicz
Oversettelsen ble utført av prosjektet Ny
