Fizik Nigel Goldenfeld sovraži biologijo: "Vsaj ne v obliki, v kateri sem se je učil v šoli," pravi. "Bilo je kot razburkan niz dejstev. Natančne kvantitativne analize praktično ni bilo. " Ta odnos bi lahko presenetil vse, ki si ogledajo številne projekte, v katerih se ukvarja Goldenfeld.
S sodelavci spremljata kolektivno in individualno vedenje čebel, analizirata biofilme, opazujeta skakanje genov, ocenjujeta raznolikost življenja v ekosistemih in raziskujeta odnos mikrobiomov.
Goldenfeld je vodja Nasinega astronomskega inštituta za splošno biologijo, vendar tudi večino svojega časa ne preživi na oddelku za fiziko na univerzi v Illinoisu, temveč v svojem biološkem laboratoriju na kampusu v Urbani-Champaign.
Nigel Goldenfeld ni edini fizik, ki poskuša rešiti težave v biologiji. Max Delbrück je v tridesetih letih prejšnjega stoletja spremenil koncept virusov. Pozneje je Erwin Schrödinger objavil Kaj je življenje? Fizični vidik žive celice “. Francis Crick, pionir rentgenske kristalografije, je pomagal razkriti strukturo DNK.
Goldenfeld želi izkoristiti svoje znanje o teoriji kondenzirane snovi. Pri preučevanju te teorije simulira razvoj vzorca v dinamičnem fizičnem sistemu, da bi lažje razumel različne pojave (turbulenca, fazni prehodi, značilnosti geoloških kamnin, finančni trg).
Zanimanje za nastalo stanje snovi je fizike pripeljalo do ene največjih skrivnosti biologije - nastanka samega življenja. Iz te naloge se je razvila trenutna veja njegovega raziskovanja.
"Fiziki lahko vprašanja postavljajo drugače," je prepričan Goldenfeld. »Moja motivacija je bila vedno, da bi v biologiji iskal področja, kjer bi takšen pristop imel smisel. Če želite uspeti, morate sodelovati z biologi in v resnici sami postati eno. Fizika in biologija sta enako potrebni."
Quanta je z Goldenfeldom govoril o kolektivnih pojavih v fiziki in širitvi sintetične teorije evolucije. Razpravljali so tudi o uporabi kvantitativnih in teoretičnih orodij iz fizike za odstranjevanje tančice skrivnosti, ki obdaja zgodnje življenje na Zemlji, in o interakcijah med cianobakterijami in plenilskimi virusi. Sledi povzetek tega pogovora.
Promocijski video:
Fizika ima osnovno konceptualno strukturo, medtem ko biologija ne. Ali poskušate razviti splošno teorijo o biologiji?
Bog seveda ne. V biologiji ni enotne teorije. Evolucija je najbližja stvar, ki jo lahko prinesete do nje. Sama biologija je rezultat evolucije; življenje v vsej svoji raznolikosti in brez izjeme se je razvilo kot rezultat evolucije. Za razumevanje biologije je treba resnično razumeti evolucijo kot proces.
Kako lahko kolektivni učinki s področja fizike dopolnjujejo naše razumevanje evolucije?
Ko razmišljate o evoluciji, navadno razmišljate o populacijski genetiki, o ponavljanju genov v populaciji. Toda če pogledate Zadnjega univerzalnega skupnega prednika (organizma prednikov vseh drugih organizmov, ki ga lahko zasledimo s filogenetiko), boste razumeli, da to ni sam začetek nastanka življenja.
Pred tem je bila zagotovo še enostavnejša oblika življenja - oblika, ki še ni imela genov, ko še ni bilo nobene vrste. Vemo, da je evolucija veliko širši pojav kot populacijska genetika.
Zadnji univerzalni skupni prednik je živel pred 3,8 milijarde let. Planet Zemlja je star 4,6 milijarde let. Življenje samo je od začetka do zapletenosti sodobne celice prešlo v manj kot milijardi let. Verjetno še hitreje: od takrat se je zgodilo razmeroma malo razvoja evolucije celične strukture. Izkazalo se je, da je bila evolucija v zadnjih 3,5 milijarde let počasna, a na začetku zelo hitra. Zakaj se je življenje tako hitro razvilo?
Karl Woese (biofizik, umrl 2012) in verjel sem, da se je sprva razvoj odvijal drugače. V naši dobi se življenje razvija skozi "vertikalno" dedovanje: svoje gene prenašate na svoje otroke, oni pa na svoje otroke in tako naprej. "Horizontalni" prenos genov poteka med organizmi, ki niso povezani med seboj.
To se zdaj dogaja pri bakterijah in drugih organizmih z geni, ki v celični zgradbi niso zelo pomembni. Na primer, geni, ki dajejo odpornost na antibiotike - zahvaljujoč jim bakterije tako hitro pridobijo zaščito pred zdravili. Vendar pa so v zgodnjih življenjskih obdobjih celo osnovni mehanizem celice prenašali vodoravno.
Prej je bilo življenje kumulativno stanje in je bila bolj skupnost, tesno povezana z izmenjavo genov, kot le zbirka posameznih oblik. Obstaja še veliko drugih primerov kolektivnih stanj, na primer kolonija čebel ali jata ptic, kjer ima kolektiv svoje osebnosti in vedenje, ki izhajajo iz elementov in načinov, kako se medsebojno komunicirajo. Zgodnje življenje se je komuniciralo s prenosom genov.
Kako veš?
"Tako hiter in optimalen razvoj življenja si lahko razložimo le, če dovolimo učinek te" zgodnje mreže "in ne [družinskega] drevesa. Pred približno 10 leti smo odkrili, da ta teorija velja za gensko kodo, za pravila, ki celici povedo, katere aminokisline naj uporabi za proizvodnjo beljakovin. Vsak organizem na planetu ima isti genetski zapis z minimalnimi razlikami.
V šestdesetih letih prejšnjega stoletja je Karl prvi prišel na idejo, da je genetski kod, ki ga imamo, čim boljši za zmanjšanje napak. Tudi če dobite napačno aminokislino zaradi mutacije ali napake v mehanizmu celičnega transporta, bo genetska koda natančno določila aminokislino, ki bi jo morali prejeti. Torej imate še vedno možnost, da beljakovine, ki jih pridelate, delujejo in vaše telo ne bo umrlo.
David Haig (Harvard) in Lawrence Hirst (Univerza v Bathu) sta prva dokazala, da je mogoče to idejo kakovostno ovrednotiti s pomočjo metode Monte Carlo: poskušali so ugotoviti, katere genetska koda je najbolj odporna na tovrstne napake. In mi smo sami postali odgovor. To je resnično presenetljivo odkritje, vendar ne tako razširjeno, kot bi moralo biti.
Kasneje sva s Karlom in Kalin Vestigian (Univerza Wisconsin v Madisonu) opravila navidezne simulacije skupin organizmov s številnimi umetnimi, hipotetičnimi genetskimi kodami. Ustvarili smo modele računalniških virusov, ki so posnemali žive sisteme: imeli so genom, izražene beljakovine, lahko so se kopirali, preživeli selekcijo, njihova prilagodljivost pa je bila funkcija njihovih lastnih beljakovin.
Ugotovili smo, da se niso razvili samo njihovi genomi. Razvilo se je tudi njihovo genetsko leto. Ko gre za vertikalno evolucijo (med generacijami), genska koda nikoli ne postane edinstvena ali optimalna. Ko pa gre za učinek "kolektivne mreže", se genska koda hitro razvija v edinstveno optimalno stanje, ki ga opazujemo danes.
Te ugotovitve in vprašanja, kako je življenje lahko tako hitro pridobilo te genetske kode, kažejo, da bi morali opaziti znake horizontalnega prenosa genov prej kot na primer Zadnji univerzalni prednik. In vidimo jih: nekateri encimi, ki so povezani z glavnim mehanizmom prevajanja celic in gensko ekspresijo, kažejo močne dokaze za zgodnji vodoravni prenos genov.
Kako bi se lahko oprli na te sklepe?
- Tommaso Biancalani in jaz (zdaj na MIT-u) sva pred približno letom dni izvedla raziskavo - naš članek o njem je bil objavljen -, da se življenje samodejno izklopi vodoravnega prenosa genov, takoj ko postane dovolj zapleteno. Ko simuliramo ta postopek, se v bistvu sam izklopi. Vzpostavljeni so poskusi horizontalnega prenosa genov, vendar se skoraj nič ne ukorenini. Potem je edini prevladujoči evolucijski mehanizem vertikalna evolucija, ki je bila vedno prisotna. Zdaj poskušamo narediti poskuse, da bi ugotovili, ali je jedro popolnoma prešlo iz horizontalnega v navpični prenos.
Ali ste zaradi tega pristopa k zgodnji evoluciji rekli, da bi morali o biologiji govoriti drugače?
Ljudje ponavadi razmišljajo o evoluciji kot sinonimu za populacijsko genetiko. Mislim, da je to načeloma pravilno. A v resnici ne. Evolucija se je odvijala še pred obstojem genov, kar pa ni mogoče razložiti s statističnimi modeli populacijske genetike. Obstajajo skupni načini evolucije, ki jih je treba prav tako jemati resno (na primer procesi, kot je horizontalni prenos genov).
V tem smislu je naše razumevanje evolucije kot procesa preozko. Razmisliti moramo o dinamičnih sistemih in o tem, kako je mogoče, da sistemi, ki se lahko razvijajo in razmnožujejo, sploh obstajajo. Ko razmišljate o fizičnem svetu, ni očitno, zakaj preprosto ne počnete več mrtvih stvari.
Zakaj ima planet sposobnost, da podpira življenje? Zakaj življenje sploh obstaja? Dinamika evolucije bi morala biti sposobna rešiti to vprašanje. Omeniti velja, da sploh nimamo ideje o tem, kako rešiti to vprašanje. In glede na to, da se je življenje začelo kot nekaj fizičnega, ne biološkega, izraža fizično zanimanje.
Kako se vaše delo na cianobakterijah ujema z uporabo teorije kondenzirane snovi?
- Moja študentka Hong-Yang Shi in jaz sem modelirala ekosistem organizma, imenovanega Prochlorococcus, cianobakterijo, ki živi v oceanu in uporablja fotosintezo. Mislim, da je ta organizem morda najbolj obširen celični organizem na planetu.
Obstajajo virusi, "fagi", ki plenijo bakterije. Pred desetletjem so znanstveniki odkrili, da imajo ti fagi tudi gene za fotosintezo. O virusu običajno ne razmišljate kot o nekom, ki potrebuje fotosintezo. Zakaj potem nosijo te gene?
„Zdi se, da se bakterije in fagi ne obnašajo tako kot plenilec. Bakterije koristijo fagam. Pravzaprav bi bakterije lahko preprečile, da bi jih fagi napadli na različne načine, vendar ne, vsaj ne v celoti. Phage fotosintetski geni so prvotno izhajali iz bakterij - in presenetljivo je, da so jih fagi nato prenesli nazaj na bakterije. V zadnjih 150 milijonih let so se geni za fotosintezo večkrat premikali med bakterijami in fagi.
Izkazalo se je, da se geni v virusih razvijejo veliko hitreje kot pri bakterijah, ker je proces replikacije na viruse veliko krajši in je bolj verjetno, da delajo napake (replikacija je postopek sinteze hčerinske molekule deoksiribonukleinske kisline na predlogi matične molekule DNK - nič več).
Kot stranski učinek lova na fage na bakterije se bakterijski geni včasih prenašajo v viruse, kjer se lahko širijo, hitro razvijajo in se nato vračajo k bakterijam, ki jim lahko koristijo. Zato so bili fagi koristni za bakterije. Na primer, obstajata dva seva Prochlorococcus, ki živita v različnih globinah. Eden od teh ekotipov je prilagojen, da živi bližje površju, kjer je svetloba veliko bolj intenzivna, razlika v njegovih frekvencah pa je večja. Ta prilagoditev je lahko posledica dejstva, da so se virusi hitro razvijali.
Tudi virusi imajo koristi od genov. Ko virus okuži gostitelja in se razmnoži, je število novih virusov, ki jih ustvari, odvisno od tega, kako dolgo lahko zajeta celica preživi. Če virus nosi sistem za podporo življenju (geni za fotosintezo), lahko celico dlje zadrži, da naredi več kopij virusa.
Virus, ki nosi gene za fotosintezo, ima konkurenčno prednost pred tistim, ki ga nima. Obstaja vzrejni pritisk na viruse za prenos genov, ki koristijo gostitelju. Pričakovali bi, da se njihovi geni, ker tako hitro mutirajo, hitro "razgradijo". A kot rezultat izračunov smo ugotovili, da bakterije filtrirajo "dobre" gene in jih prenašajo na viruse.
Zato je to luštna zgodba: medsebojno delovanje teh bakterij in virusov spominja na obnašanje snovi v kondenziranem stanju - ta sistem je mogoče modelirati tako, da napoveduje njegove lastnosti.
Govorili smo o fizičnem pristopu k biologiji. Ste že videli nasprotno, ko je biologija navdihnila fiziko?
- Da. Delam na turbulencah. Ko se vrnem domov, me ponoči ohranja budna. V lanskem članku, objavljenem v reviji Nature Physics, Hong-Yan Shin, Tsung-Lin Sheng in želel sem podrobno razložiti, kako tekočina v cevi prehaja iz plastičnega stanja, kjer teče gladko in predvidljivo, v stanje turbulence, kjer je njegovo vedenje nepredvidljivo. in narobe.
Ugotovili smo, da se turbulenca pred prehodom obnaša kot ekosistem. Obstaja poseben dinamični režim pretoka tekočine, podoben plenilcu, ki poskuša "pojesti" turbulenco, interakcija med tem režimom in posledično turbulenco pa privede do nekaterih pojavov, ki jih vidite, ko tekočina postane turbulentna.
Naše delo na koncu predvideva, da se v tekočinah pojavi določen fazni prehod in to potrjujejo poskusi. Ker se je fizikalni problem izkazal kot primeren za reševanje tega biološkega problema - glede odnosa plenilca in plena, sva z Hong-Yanom znala posnemati in simulirati sistem in reproducirati to, kar ljudje vidijo v poskusih. Poznavanje biologije nam je resnično pomagalo razumeti fiziko.
Ali obstajajo kakšne omejitve za fizični pristop k biologiji?
- Obstaja nevarnost, da se ponovi samo tisto, kar je znano, zato ne morete dajati novih napovedi. Toda včasih se vaša abstrakcija ali minimalno predstavljanje poenostavi in v tem procesu nekaj izgubite.
Teoretično ne morete razmišljati. Zavihajte rokave in preučite biologijo, bodite tesno povezani z resničnimi eksperimentalnimi pojavi in resničnimi podatki.
Zato naše delo poteka v povezavi s eksperimentatorji: skupaj s sodelavci sem zbiral mikrobe iz vročih izvirov nacionalnega parka Yellowstone, v realnem času opazoval "skačejoče" gene v živih celicah, jih sekvenciral (zaporedje - določanje aminokisline ali nukleotidnega zaporedja - približno - črevesni mikrobiom vretenčarjev. Vsak dan delam na Inštitutu za gensko biologijo, čeprav je fizika moje "domače" področje.
Jordana Cepelewicz
Prevajanje je izvedel projekt Novo