Fyysikko Nigel Goldenfeld vihaa biologiaa: "Ainakaan siinä muodossa kuin minulle opetettiin sitä koulussa", hän sanoo.”Se oli kuin hullu fakto. Tarkkaa kvantitatiivista analyysiä ei käytännössä ollut. " Tämä asenne saattaa yllättää ketään, joka tarkastelee monia projekteja, joita Goldenfeldin laboratorio työskentelee.
Hän ja hänen kollegansa tarkkailevat mehiläisten kollektiivista ja yksilöllistä käyttäytymistä, analysoivat biofilmejä, seuraavat geenejä hyppäämällä, arvioivat ekosysteemien elämän monimuotoisuutta ja tutkivat mikrobiomien suhdetta.
Goldenfeld on NASA: n yleisen biologian astrobiologiainstituutin päällikkö, mutta hän viettää suurimman osan ajastaan ei myöskään Illinoisin yliopiston fysiikan osastolla, vaan biologisessa laboratoriossaan kampuksella Urbana-Champaignissa.
Nigel Goldenfeld ei ole ainoa fyysikko, joka yrittää ratkaista biologian ongelmia. Max Delbrück muutti 1930-luvulla virusten käsitettä. Myöhemmin Erwin Schrödinger julkaisi Mikä on elämä? Elävän solun fyysinen osa”. Röntgenkristallografian edelläkävijä Francis Crick auttoi paljastamaan DNA: n rakenteen.
Goldenfeld haluaa hyötyä tiivistyneiden aineiden teoriastaan. Tutkiessaan tätä teoriaa, hän simuloi näytteen kehitystä dynaamisessa fyysisessä järjestelmässä ymmärtääksesi paremmin erilaisia ilmiöitä (turbulenssi, vaihesiirtymät, geologisten kivien piirteet, rahoitusmarkkinat).
Kiinnostus nousevaan aineen tilaan johti fyysikot yhteen biologian suurimmista mysteereistä - itse elämän alkuperästä. Juuri tästä tehtävästä kehitettiin hänen tutkimuksensa nykyinen haara.
"Fyysikot voivat kysyä kysymyksiä toisin", Goldenfeld on vakuuttunut.”Motivoitani on aina ollut etsiä biologiaa alueilta, joilla tällainen lähestymistapa olisi järkevä. Mutta onnistuaksesi sinun täytyy työskennellä biologien kanssa ja itse asiassa tulla yhdeksi itseäsi. Fysiikkaa ja biologiaa tarvitaan yhtä paljon."
Quanta puhui Goldenfeldin kanssa fysiikan kollektiivisista ilmiöistä ja synteettisen evoluutioteorian laajenemisesta. He keskustelivat myös fysiikan kvantitatiivisten ja teoreettisten työkalujen käytöstä mysteerin verhon nostamiseksi, joka ympäröi varhaista elämää maan päällä, ja syanobakteerien ja saalistavien virusten vuorovaikutuksesta. Seuraava on yhteenveto tästä keskustelusta.
Mainosvideo:
Fysiikalla on peruskäsitteellinen rakenne, kun taas biologialla ei ole. Yritätkö kehittää yleistä biologian teoriaa?
Jumala, tietysti ei. Biologiassa ei ole yhtä teoriaa. Evoluutio on lähin asia, jonka voit tuoda siihen. Itse biologia on evoluution tulosta; elämä koko sen monimuotoisuudessa ja poikkeuksetta on kehittynyt evoluution seurauksena. Biologian ymmärtämiseksi on välttämätöntä ymmärtää evoluutio todella prosessina.
Kuinka fysiikan kollektiiviset vaikutukset voivat täydentää ymmärrystämme evoluutiosta?
Kun mietit evoluutiota, sinulla on taipumus ajatella yleensä populaatiogenetiikkaa, geenien toistumista populaatiossa. Mutta jos tarkastelet viimeistä yleistä yleistä esi-isää (kaikkien muiden organismien esi-organismeja, jotka voimme jäljittää fylogenetiikan kautta), ymmärrät, että tämä ei ole elämän alkuvaiheen alku.
Ennen sitä oli ehdottomasti vieläkin yksinkertaisempi elämän muoto - muoto, jolla ei ollut edes geenejä, kun lajeja ei vielä ollut. Tiedämme, että evoluutio on paljon laajempi ilmiö kuin populaatiogenetiikka.
Viimeinen yleinen yhteinen esi-isä asui 3,8 miljardia vuotta sitten. Maa-planeetta on 4,6 miljardia vuotta vanha. Itse elämä on kulkenut alusta alkaen modernin solun monimutkaisuuteen alle miljardissa vuodessa. Todennäköisesti jopa nopeammin: Sittemmin solurakenteen evoluutiossa on tapahtunut suhteellisen vähän kehitystä. Osoittautuu, että kehitys on ollut hidasta viimeisen 3,5 miljardin vuoden aikana, mutta alussa erittäin nopeaa. Miksi elämä on kehittynyt niin nopeasti?
Karl Woese (biofyysikko, kuollut 2012) ja uskoin, että kehitys tapahtui alun perin eri tavalla. Aikakautemme elämä kehittyy "vertikaalisen" perinnön kautta: siirrät geenisi lapsillesi, he puolestaan lapsilleen ja niin edelleen. Geenien "horisontaalinen" siirto suoritetaan organismien välillä, jotka eivät ole yhteydessä toisiinsa.
Tätä tapahtuu nyt bakteereissa ja muissa organismeissa, joissa on geenejä, jotka eivät ole kovin tärkeitä solurakenteessa. Esimerkiksi geenit, jotka antavat vastustuskykyä antibiooteille - niiden ansiosta bakteerit saavat suojan lääkkeiltä niin nopeasti. Elämän varhaisissa vaiheissa jopa solun perusmekanismi siirtyi vaakasuoraan.
Aikaisemmin elämä oli kumulatiivista tilaa ja se oli pikemminkin geenivaihdon kautta läheisesti sidottu yhteisö kuin pelkkä yksittäisten muotojen kokoelma. On monia muita esimerkkejä kollektiivisista tiloista, kuten mehiläispesäke tai lintuparvi, joissa kollektiivilla näyttää olevan oma persoonallisuus ja käyttäytyminen, joka johtuu elementteistä ja tavoista, joilla ne ovat vuorovaikutuksessa. Varhaisesta elämästä ilmoitettiin geeninsiirron kautta.
Mistä tiedät?
"Voimme selittää elämän nopean ja optimaalisen kehityksen vain, jos sallimme tämän" varhaisen verkoston "vaikutuksen eikä [sukupuu]. Noin 10 vuotta sitten havaitsimme, että tämä teoria koskee geneettistä koodia, sääntöihin, jotka sanovat solulle, mitä aminohappoja käytetään proteiinin valmistukseen. Jokaisella planeetan organismilla on sama geneettinen koodi pienin eroin.
1960-luvulla Karl keksi ensimmäisenä ajatuksen, että hallussaan oleva geneettinen koodi on mahdollisimman hyvä virheiden minimoimiseksi. Vaikka saat väärän aminohapon mutaation tai virheen vuoksi solun kuljetusmekanismissa, geneettinen koodi määrittää tarkkaan aminohapon, jonka sinun pitäisi saada. Joten, sinulla on edelleen mahdollisuus, että tuottamasi proteiini toimii ja kehosi ei kuole.
David Haig (Harvard) ja Lawrence Hirst (Bathin yliopisto) osoittivat ensimmäisenä, että tätä ajatusta voidaan arvioida laadullisesti Monte Carlo -menetelmällä: he yrittivät selvittää, kenen geneettinen koodi on tällaisille virheille vastustuskykyisin. Ja meistä itse tuli vastaus. Tämä on todella hätkähdyttävä löytö, mutta ei niin laajalle levinnyt kuin sen pitäisi olla.
Myöhemmin Karl ja minä yhdessä Kalin Vestigianin (Wisconsinin yliopisto Madisonissa) kanssa suorittivat virtuaalisia simulaatioita organismitryhmistä, joilla oli monia keinotekoisia, hypoteettisia geneettisiä koodeja. Loimme tietokonevirusmalleja, jotka matkivat eläviä järjestelmiä: heillä oli genomi, ekspressoituneet proteiinit, he pystyivät lisääntymään itseään, selviämään valinnasta ja heidän sopeutumiskykynsä oli heidän omien proteiiniensa funktio.
Huomasimme, että heidän genomiensa lisäksi ei vain kehittynyt. Myös heidän geneettinen vuosi kehittyi. Kun kyse on vertikaalisesta evoluutiosta (sukupolvien välillä), geneettisestä koodista ei koskaan tule ainutlaatuista tai optimaalista. Mutta kun kyse on "kollektiivisen verkon" vaikutuksesta, niin geneettinen koodi muuttuu nopeasti ainutlaatuiseen optimaaliseen tilaan, jota tänään havaitsemme.
Nämä havainnot ja kysymykset siitä, kuinka elämä olisi voinut hankkia nämä geneettiset koodit niin nopeasti, viittaavat siihen, että meidän pitäisi nähdä merkkejä horisontaalisesta geeninsiirrosta aikaisemmin kuin esimerkiksi viimeisessä yleisessä yleisessä esi-isässä. Ja näemme ne: joillakin entsyymeillä, jotka liittyvät solun translaation ja geenien ilmentymisen päämekanismiin, on vahvaa näyttöä geenin varhaisesta horisontaalisesta siirrosta.
Kuinka voitte luottaa näihin johtopäätöksiin?
- Tommaso Biancalani ja minä (nyt MIT: ssä) tekivät tutkimuksen noin vuosi sitten - artikkeli julkaistiin hänestä - että elämä sulkee automaattisesti horisontaalisen geeninsiirron heti, kun siitä tuli tarpeeksi monimutkaista. Kun simuloimme tätä prosessia, se periaatteessa sammuu itsestään. Geenien siirtämistä yritetään suorittaa horisontaalisesti, mutta melkein mikään ei juurtu. Silloin ainoa hallitseva evoluutiomekanismi on vertikaalinen evoluutio, joka on aina ollut läsnä. Yritämme nyt tehdä kokeita, onko ydin täysin siirtynyt vaakatasosta pystysuoraan.
Sanoitteko tämän varhaisen evoluution lähestymistavan vuoksi, että meidän pitäisi puhua biologiasta toisin?
Ihmiset ajattelevat evoluution olevan synonyymi väestögenetiikalle. Mielestäni tämä on periaatteessa oikein. Mutta ei oikeasti. Evoluutio tapahtui jo ennen geenien olemassaoloa, eikä tätä voida selittää väestögenetiikan tilastollisilla malleilla. On olemassa kollektiivisia evoluutiotapoja, jotka on myös otettava vakavasti (esimerkiksi prosessit, kuten horisontaalinen geeninsiirto).
Tässä mielessä ymmärryksemme evoluutiosta prosessina on liian kapea. Meidän on ajateltava dynaamisia järjestelmiä ja miten on mahdollista, että järjestelmät, jotka kykenevät kehittämään ja toistamaan, kykenevät olemaan ollenkaan. Kun mietit fyysisestä maailmasta, ei ole selvää, miksi et vain tee enemmän kuolleita asioita.
Miksi planeetalla on kyky tukea elämää? Miksi elämää edes olemassa? Evolutionin dynamiikan pitäisi pystyä ratkaisemaan tämä ongelma. On huomionarvoista, että meillä ei ole edes ajatusta ongelman ratkaisemisesta. Ja koska elämä alkoi fyysisenä, ei biologisena, hän ilmaisee fyysisen kiinnostuksensa.
Kuinka sinileviä koskevat työt sopivat tiivistyneen aineen teorian soveltamiseen?
- Opiskelijani Hong-Yang Shi ja minä mallinnimme Prochlorococcus-nimisen organismin ekosysteemin, sinilevän, joka elää meressä ja käyttää fotosynteesiä. Mielestäni tämä organismi voi olla planeetan runsain solu-organismi.
On viruksia, "faageja", jotka saalistavat bakteereja. Kymmenen vuotta sitten tutkijat havaitsivat, että näillä faageilla on myös geenejä fotosynteesiin. Et yleensä ajattele virusta joku, joka tarvitsee fotosynteesiä. Miksi he sitten kantavat näitä geenejä?
”Vaikuttaa siltä, että bakteerit ja faagit eivät käyttäydy täsmälleen saalistajasaalismallin tavoin. Bakteerit hyödyttävät faageja. Itse asiassa bakteerit voisivat estää faagit hyökkäämästä niitä eri tavoin, mutta ne eivät ainakaan kokonaan. Faagifotosynteesigeenit tulivat alun perin bakteereista - ja yllättäen faagit siirsivät ne sitten takaisin bakteereihin. Viimeisen 150 miljoonan vuoden aikana fotosynteesin geenit ovat siirtyneet bakteerien ja faagien välillä useita kertoja.
Osoittautuu, että geenit kehittyvät viruksissa paljon nopeammin kuin bakteereissa, koska virusten replikaatioprosessi on paljon lyhyempi ja tekee todennäköisemmin virheitä (replikaatio on deoksiribonukleiinihapon tytärmolekyylin syntetisointi kanta-DNA-molekyylin templaatissa - ei enempää).
Bakteerien faagien metsästyksen sivuvaikutuksena bakteerigeenejä kuljetetaan joskus viruksiksi, joissa ne voivat levitä, kehittyä nopeasti ja palata sitten bakteereihin, jotka voivat hyötyä siitä. Siksi faagit olivat hyödyllisiä bakteereille. Esimerkiksi, on olemassa kaksi Prochlorococcus-kantaa, jotka elävät eri syvyyksillä. Yksi näistä ekotyypeistä on sovitettu asumaan lähempänä pintaa, missä valo on paljon voimakkaampi ja sen taajuuksien ero on suurempi. Tämä sopeutuminen voi johtua siitä, että virukset ovat kehittyneet nopeasti.
Virukset hyötyvät myös geeneistä. Kun virus tarttuu isäntään ja replikoituu itse, sen luomien uusien virusten lukumäärä riippuu siitä, kuinka kauan vangittu solu voi selviytyä. Jos viruksella on elämää tukeva järjestelmä (geenit fotosynteesille), se voi pitää solun pidempään voidakseen tehdä enemmän kopioita viruksesta.
Viruksella, joka kuljettaa geenejä fotosynteesiä varten, on kilpailuetu verrattuna sellaiseen, jolla ei ole. Viruksilla on lisääntymispaineita isäntä hyödyttävien geenien siirtämiseksi. Voit olettaa, että koska virukset mutatoituvat niin nopeasti, niiden geenit "hajoavat" nopeasti. Mutta laskelmien tuloksena havaitsimme, että bakteerit suodattavat "hyvät" geenit ja siirtävät ne viruksille.
Siksi tämä on söpö tarina: näiden bakteerien ja virusten vuorovaikutus muistuttaa aineen käyttäytymistä tiivistyneessä tilassa - tätä järjestelmää voidaan mallintaa ennustamaan sen ominaisuudet.
Puhuimme fysiikan fyysisestä lähestymistavasta. Oletko nähnyt päinvastaista, kun biologia inspiroi fysiikkaa?
- Joo. Työskentelen turbulenssin parissa. Kun palaan kotiin, juuri hän pitää minut hereillä yöllä. Viime vuonna julkaistussa artikkelissa Nature Physics, Hong-Yan Shin, Tsung-Ling Sheng ja halusimme selittää yksityiskohtaisesti, kuinka putken neste kulkee muovitilasta, jossa se virtaa tasaisesti ja ennustettavasti, turbulenssitilaan, jossa sen käyttäytyminen on arvaamaton. ja väärässä.
Havaitsimme, että ennen muutosta turbulenssi käyttäytyy kuin ekosysteemi. On erityinen dynaaminen nestevirtausmenetelmä, samoin kuin saalistaja: se yrittää "syödä" turbulenssia, ja tämän järjestelmän ja siitä johtuvan turbulenssin välinen vuorovaikutus johtaa joihinkin ilmiöihin, jotka näet, kun neste muuttuu turbulenssiksi.
Viime kädessä työmme olettaa, että nesteissä tapahtuu tietyntyyppinen vaihesiirto, ja tämä kokeet vahvistavat. Koska fysiikan ongelma osoittautui sopivaksi tämän biologisen ongelman ratkaisemiseksi - saalistajan ja saaliin välisestä suhteesta - Hong-Yan ja tiesin kuinka jäljitellä ja simuloida järjestelmää ja toistaa mitä ihmiset näkevät kokeissa. Biologian tuntemus auttoi meitä ymmärtämään fysiikkaa.
Onko fysiikan fyysiselle lähestymiselle rajoituksia?
- On olemassa vaara, että toistetaan vain tiedossa oleva, joten et voi tehdä uusia ennusteita. Mutta joskus abstraktiosi tai minimaalinen edustus yksinkertaistuu ja menetät jotain prosessissa.
Et voi ajatella liian teoreettisesti. Sinun tulisi kääntää hihat ylös tutkiaksesi biologiaa, oltava läheisessä yhteydessä todellisiin kokeellisiin ilmiöihin ja todelliseen tietoon.
Siksi työmme tehdään yhdessä kokeilijoiden kanssa: keräsin yhdessä kollegojeni kanssa mikrobia kuumakivisilta lähteiltä Yellowstonen kansallispuistossa, katselin "hyppääviä" geenejä elävissä soluissa reaaliajassa, sekvensoin (sekvensointi - määrittelemällä aminohappo- tai nukleotidisekvenssi - suunnilleen uusi) maha-suolikanavasta. - selkärankaisten suolistomikrobiomi. Joka päivä työskentelen genomibiologian instituutissa, vaikka fysiikka on "omaperäinen" alani.
Jordana Cepelewicz
Käännös toteutettiin New-projektissa