Fizyk Nigel Goldenfeld nienawidzi biologii: „Przynajmniej nie w takiej formie, w jakiej uczono mnie jej w szkole” - mówi. „To było jak chaotyczny zbiór faktów. Praktycznie nie było dokładnej analizy ilościowej”. Takie podejście może zaskoczyć każdego, kto patrzy na wiele projektów, nad którymi pracuje laboratorium Goldenfelda.
Wraz ze swoimi współpracownikami monitoruje zbiorowe i indywidualne zachowanie pszczół miodnych, analizuje biofilmy, obserwuje skoki genów, ocenia różnorodność życia w ekosystemach i badają związki mikrobiomów.
Goldenfeld jest szefem Astrobiology Institute for General Biology w NASA, ale większość czasu spędza nie na wydziale fizyki Uniwersytetu Illinois, ale w swoim laboratorium biologicznym na kampusie w Urbana-Champaign.
Nigel Goldenfeld nie jest jedynym fizykiem próbującym rozwiązywać problemy biologii. XX wieku Max Delbrück zmienił koncepcję wirusów. Później Erwin Schrödinger opublikował What is Life? Fizyczny aspekt żywej komórki”. Francis Crick, pionier krystalografii rentgenowskiej, pomógł odkryć strukturę DNA.
Goldenfeld chce skorzystać ze swojej wiedzy o teorii materii skondensowanej. Studiując tę teorię, modeluje rozwój próbki w dynamicznym układzie fizycznym w celu lepszego zrozumienia różnych zjawisk (turbulencje, przemiany fazowe, cechy skał geologicznych, rynek finansowy).
Zainteresowanie wyłaniającym się stanem materii doprowadziło fizyków do jednej z największych tajemnic biologii - powstania samego życia. Z tego zadania rozwinęła się obecna gałąź jego badań.
„Fizycy mogą inaczej zadawać pytania” - jest przekonany Goldenfeld. „Zawsze motywowałem się do szukania w biologii dziedzin, w których takie podejście miałoby sens. Ale aby odnieść sukces, musisz współpracować z biologami i samemu stać się jednym. Fizyka i biologia są równie potrzebne”.
Quanta rozmawiał z Goldenfeldem na temat zbiorowych zjawisk w fizyce i ekspansji syntetycznej teorii ewolucji. Omówili także wykorzystanie narzędzi ilościowych i teoretycznych z fizyki do odkrycia zasłony tajemnicy, która otacza wczesne życie na Ziemi, oraz interakcji między sinicami a drapieżnymi wirusami. Poniżej znajduje się podsumowanie tej rozmowy.
Film promocyjny:
Fizyka ma podstawową strukturę pojęciową, podczas gdy biologia nie. Czy próbujesz rozwinąć ogólną teorię biologii?
- Boże, oczywiście, że nie. W biologii nie ma jednej teorii. Ewolucja to najbliższa rzecz, jaką możesz do tego wnieść. Sama biologia jest wynikiem ewolucji; życie w całej swojej różnorodności i bez wyjątku rozwinęło się w wyniku ewolucji. Aby zrozumieć biologię, trzeba naprawdę zrozumieć ewolucję jako proces.
W jaki sposób zbiorowe efekty z dziedziny fizyki mogą uzupełniać nasze rozumienie ewolucji?
Kiedy myślisz o ewolucji, zazwyczaj myślisz o genetyce populacji, o powtarzaniu się genów w populacji. Ale jeśli spojrzysz na ostatniego powszechnego wspólnego przodka (organizm przodka wszystkich innych organizmów, który możemy prześledzić poprzez filogenetykę), zrozumiesz, że nie jest to sam początek powstania życia.
Wcześniej istniała z pewnością jeszcze prostsza forma życia - forma, która nie miała nawet genów, gdy nie było jeszcze gatunku. Wiemy, że ewolucja jest znacznie szerszym zjawiskiem niż genetyka populacyjna.
Ostatni powszechny wspólny przodek żył 3,8 miliarda lat temu. Planeta Ziemia ma 4,6 miliarda lat. Życie samo w sobie podróżowało od swojego powstania do złożoności współczesnej komórki w mniej niż miliard lat. Prawdopodobnie nawet szybciej: od tego czasu nastąpiło stosunkowo niewiele zmian w ewolucji struktury komórkowej. Okazuje się, że ewolucja była powolna przez ostatnie 3,5 miliarda lat, ale na początku bardzo szybko. Dlaczego życie rozwinęło się tak szybko?
Karl Woese (biofizyk, zm. 2012) i ja uważałem, że początkowo rozwój przebiegał inaczej. W naszych czasach życie ewoluuje poprzez dziedziczenie „wertykalne”: przekazujesz swoje geny swoim dzieciom, one z kolei swoim dzieciom i tak dalej. „Poziomy” transfer genów odbywa się między organizmami, które nie są ze sobą połączone.
Dzieje się to teraz w bakteriach i innych organizmach z genami, które nie są bardzo ważne w strukturze komórki. Na przykład geny dające odporność na antybiotyki - dzięki nim bakterie tak szybko uzyskują ochronę przed lekami. Jednak we wczesnych fazach życia nawet podstawowy mechanizm komórki był przenoszony poziomo.
Wcześniej życie było stanem kumulacyjnym i było bardziej wspólnotą ściśle związaną z wymianą genów niż tylko zbiorem indywidualnych form. Istnieje wiele innych przykładów stanów zbiorowych, takich jak kolonia pszczół lub stado ptaków, w których kolektyw wydaje się mieć własną osobowość i zachowanie, wynikające z elementów i sposobów, w jakie wchodzą w interakcje. Wczesne życie było przekazywane poprzez transfer genów.
Skąd wiesz?
„Tak szybki i optymalny rozwój życia możemy wyjaśnić tylko wtedy, gdy pozwolimy na efekt tej„ wczesnej sieci”, a nie drzewa [genealogicznego]. Około 10 lat temu odkryliśmy, że ta teoria odnosi się do kodu genetycznego, do reguł, które mówią komórce, jakich aminokwasów użyć do produkcji białka. Każdy organizm na planecie ma ten sam kod genetyczny z minimalnymi różnicami.
W latach sześćdziesiątych Karl był pierwszym, który wpadł na pomysł, że posiadany przez nas kod genetyczny jest tak dobry, jak to tylko możliwe, aby zminimalizować błędy. Nawet jeśli otrzymasz niewłaściwy aminokwas z powodu mutacji lub błędu w mechanizmie transportu komórkowego, kod genetyczny wskaże dokładnie aminokwas, który powinieneś otrzymać. Więc nadal masz szansę, że białko, które produkujesz, będzie funkcjonować, a twoje ciało nie umrze.
David Haig (Harvard) i Lawrence Hirst (University of Bath) jako pierwsi wykazali, że ten pomysł można ocenić jakościowo metodą Monte Carlo: próbowali dowiedzieć się, czyj kod genetyczny jest najbardziej odporny na takie błędy. I my sami staliśmy się odpowiedzią. To naprawdę zaskakujące odkrycie, ale nie tak powszechne, jak powinno.
Później Karl i ja wraz z Kalinem Vestigianem (University of Wisconsin w Madison) przeprowadziliśmy wirtualne symulacje grup organizmów z wieloma sztucznymi, hipotetycznymi kodami genetycznymi. Stworzyliśmy modele wirusów komputerowych, które naśladowały żyjące systemy: miały genom, wyrażały białka, mogły się rozmnażać, przetrwać selekcję, a ich zdolność adaptacji była funkcją ich własnych białek.
Odkryliśmy, że ewoluowały nie tylko ich genomy. Ewoluował również ich rok genetyczny. Jeśli chodzi o ewolucję pionową (między pokoleniami), kod genetyczny nigdy nie staje się unikalny ani optymalny. Ale jeśli chodzi o efekt „sieci kolektywnej”, kod genetyczny szybko ewoluuje do unikalnego, optymalnego stanu, który obserwujemy dzisiaj.
Te odkrycia i pytania o to, w jaki sposób życie mogło otrzymać te kody genetyczne tak szybko, sugerują, że powinniśmy widzieć oznaki poziomego transferu genów wcześniej niż na przykład u ostatniego wspólnego przodka uniwersalnego. Widzimy je: niektóre enzymy związane z głównym mechanizmem translacji komórek i ekspresji genów wykazują silne dowody na wczesny poziomy transfer genów.
Jak mogłeś polegać na tych wnioskach?
- Tommaso Biancalani i ja (obecnie na MIT) przeprowadziliśmy badanie około roku temu - ukazał się o nim nasz artykuł - że życie automatycznie wyłącza poziomy transfer genów, gdy tylko stanie się wystarczająco skomplikowany. Kiedy symulujemy ten proces, w zasadzie sam się wyłącza. Podejmowane są próby przeprowadzenia poziomego transferu genów, ale prawie nic się nie zakorzenia. Wtedy jedynym dominującym mechanizmem ewolucyjnym jest ewolucja pionowa, która zawsze była obecna. Teraz próbujemy przeprowadzić eksperymenty, aby sprawdzić, czy jądro całkowicie przeszło z transmisji poziomej do pionowej.
Czy to z powodu takiego podejścia do wczesnej ewolucji powiedziałeś, że powinniśmy inaczej mówić o biologii?
Ludzie mają tendencję do myślenia o ewolucji jako synonimie genetyki populacji. Myślę, że w zasadzie jest to poprawne. Ale nie naprawdę. Ewolucja miała miejsce jeszcze przed powstaniem genów i nie można tego wytłumaczyć statystycznymi modelami genetyki populacyjnej. Istnieją kolektywne drogi ewolucji, które również należy traktować poważnie (na przykład procesy takie jak poziomy transfer genów).
W tym sensie nasze rozumienie ewolucji jako procesu jest zbyt wąskie. Musimy pomyśleć o systemach dynamicznych io tym, jak to możliwe, że systemy zdolne do rozwoju i reprodukcji w ogóle mogą istnieć. Kiedy myślisz o świecie fizycznym, nie jest oczywiste, dlaczego po prostu nie robisz więcej martwych rzeczy.
Dlaczego planeta ma zdolność podtrzymywania życia? Dlaczego życie w ogóle istnieje? Dynamika ewolucji powinna być w stanie rozwiązać ten problem. Warto zauważyć, że nie mamy nawet pomysłu, jak rozwiązać ten problem. Biorąc pod uwagę, że życie zaczęło się jako coś fizycznego, a nie biologicznego, wyraża fizyczne zainteresowanie.
Jak twoja praca nad sinicami wpisuje się w zastosowania teorii materii skondensowanej?
- Mój doktorant Hong-Yang Shi i ja stworzyliśmy model ekosystemu organizmu zwanego Prochlorococcus, cyjanobakterii, która żyje w oceanie i wykorzystuje fotosyntezę. Myślę, że ten organizm może być najbardziej rozpowszechnionym organizmem komórkowym na naszej planecie.
Istnieją wirusy, „fagi”, które żerują na bakteriach. Dziesięć lat temu naukowcy odkryli, że te fagi mają również geny do fotosyntezy. Zwykle nie myślisz o wirusie jako o kimś, kto potrzebuje fotosyntezy. Więc dlaczego noszą te geny?
„Wydaje się, że bakterie i fagi nie zachowują się dokładnie tak, jak model drapieżnik-ofiara. Bakterie przynoszą korzyści fagom. W rzeczywistości bakterie mogą zapobiegać atakowaniu ich przez fagi na różne sposoby, ale nie robią tego, przynajmniej nie do końca. Geny fotosyntezy fagów pierwotnie pochodziły z bakterii - i, co zaskakujące, fagi następnie przeniosły je z powrotem do bakterii. W ciągu ostatnich 150 milionów lat geny fotosyntezy kilkakrotnie przemieszczały się między bakteriami i fagami.
Okazuje się, że geny rozwijają się znacznie szybciej w wirusach niż w bakteriach, ponieważ proces replikacji wirusów jest znacznie krótszy i bardziej narażony na błędy (replikacja to proces syntezy cząsteczki potomnej kwasu dezoksyrybonukleinowego na matrycy cząsteczki macierzystego DNA - nie więcej).
Jako efekt uboczny polowania na bakterie przez fagi, geny bakteryjne są czasami przenoszone do wirusów, gdzie mogą się rozprzestrzeniać, szybko się rozwijać, a następnie powrócić do bakterii, które mogą z tego skorzystać. Dlatego fagi były korzystne dla bakterii. Na przykład istnieją dwa szczepy Prochlorococcus, które żyją na różnych głębokościach. Jeden z tych ekotypów jest przystosowany do życia bliżej powierzchni, gdzie światło jest dużo bardziej intensywne, a różnica w jego częstotliwościach jest większa. Ta adaptacja może wynikać z faktu, że wirusy ewoluowały szybko.
Wirusy również czerpią korzyści z genów. Kiedy wirus infekuje gospodarza i replikuje się, liczba nowych wirusów, które tworzy, zależy od tego, jak długo może przeżyć przechwycona komórka. Jeśli wirus przenosi system podtrzymywania życia (geny fotosyntezy), może dłużej utrzymywać komórkę w celu wykonania większej liczby kopii wirusa.
Wirus przenoszący geny fotosyntezy ma przewagę konkurencyjną nad wirusem, który ich nie posiada. Istnieje presja hodowlana na wirusy, aby przenosiły geny korzystne dla gospodarza. Można by się spodziewać, że ponieważ wirusy mutują tak szybko, ich geny będą szybko „degradować”. Jednak w wyniku obliczeń odkryliśmy, że bakterie filtrują „dobre” geny i przenoszą je do wirusów.
Dlatego jest to urocza historia: interakcja tych bakterii i wirusów przypomina zachowanie substancji w stanie skondensowanym - system ten można modelować, aby przewidzieć jej właściwości.
Rozmawialiśmy o fizycznym podejściu do biologii. Czy widziałeś coś przeciwnego, gdy fizyka inspirowała się biologią?
- Tak. Pracuję nad turbulencjami. Kiedy wracam do domu, to ona nie pozwala mi zasnąć w nocy. W artykule opublikowanym w zeszłym roku w Nature Physics, Hong-Yan Shin, Tsung-Ling Sheng i ja chcieliśmy szczegółowo wyjaśnić, w jaki sposób płyn w rurze przechodzi ze stanu plastycznego, gdzie płynie płynnie i przewidywalnie, do stanu turbulencji, w którym jego zachowanie jest nieprzewidywalne. i źle.
Odkryliśmy, że przed przejściem turbulencje zachowują się jak ekosystem. Istnieje specjalny dynamiczny reżim przepływu płynu, podobny do drapieżnika: próbuje „zjadać” turbulencje, a interakcja między tym trybem a turbulencjami wynikającymi z nich prowadzi do niektórych zjawisk, które widzisz, gdy płyn staje się turbulentny.
Ostatecznie nasza praca zakłada, że w cieczach zachodzi pewien rodzaj przemian fazowych i to potwierdzają eksperymenty. Ponieważ problem fizyki okazał się odpowiedni do rozwiązania tego biologicznego problemu - dotyczącego relacji między drapieżnikiem a ofiarą - Hong-Yan i ja wiedzieliśmy, jak naśladować i symulować system oraz odtwarzać to, co ludzie widzą w eksperymentach. Znajomość biologii naprawdę pomogła nam zrozumieć fizykę.
Czy są jakieś ograniczenia w fizycznym podejściu do biologii?
- Istnieje niebezpieczeństwo, że powtórzy się tylko to, co jest znane, więc nie można dokonać nowych przewidywań. Ale czasami twoja abstrakcja lub minimalna reprezentacja zostaje uproszczona i tracisz coś w tym procesie.
Nie możesz myśleć zbyt teoretycznie. Należy zakasać rękawy, aby studiować biologię, być ściśle związanym z rzeczywistymi zjawiskami eksperymentalnymi i prawdziwymi danymi.
Dlatego nasza praca jest prowadzona we współpracy z eksperymentatorami: wspólnie z kolegami zbierałem mikroby z gorących źródeł Parku Narodowego Yellowstone, oglądałem „skaczące” geny w żywych komórkach w czasie rzeczywistym, sekwencjonowałem (sekwencjonowanie - ustalenie sekwencji aminokwasowej lub nukleotydowej - ok. - mikrobiom jelitowy kręgowców. Na co dzień pracuję w Instytucie Biologii Genomowej, chociaż fizyka to moja „rodzima” dziedzina.
Jordana Cepelewicz
Tłumaczenie wykonał projekt New