Fyzik Nigel Goldenfeld nenávidí biológiu: „Aspoň nie v takej podobe, v akej som ju učil v škole,“hovorí. "Bolo to ako drsné množstvo faktov." Neexistovala prakticky žiadna presná kvantitatívna analýza. ““Tento postoj by mohol prekvapiť každého, kto sa pozrie na mnohé projekty, na ktorých pracuje Goldenfeldovo laboratórium.
Spolu so svojimi kolegami monitorujú kolektívne a individuálne správanie včiel medonosných, analyzujú biofilmy, pozorujú skoky génov, hodnotia rozmanitosť života v ekosystémoch a skúmajú vzťah mikróbov.
Goldenfeld je riaditeľom Astrobiologického inštitútu NASA pre všeobecnú biológiu, väčšinu času však trávi nielen vo fyzickom oddelení na Illinoisskej univerzite, ale vo svojom biologickom laboratóriu na akademickej pôde v Urbana-Champaign.
Nigel Goldenfeld nie je jediný fyzik, ktorý sa snaží riešiť problémy v biológii. V 30. rokoch 20. storočia zmenil Max Delbrück koncept vírusov. Neskôr Erwin Schrödinger publikoval Čo je život? Fyzický aspekt živej bunky “. Francis Crick, priekopník v röntgenovej kryštalografii, pomohol odhaliť štruktúru DNA.
Goldenfeld chce využiť svoje znalosti teórie kondenzovanej hmoty. Pri štúdiu tejto teórie simuluje vývoj vzorky v dynamickom fyzickom systéme, aby lepšie porozumel rôznym javom (turbulencie, fázové prechody, vlastnosti geologických hornín, finančný trh).
Záujem o vznikajúci stav hmoty priviedol fyzikov k jednej z najväčších záhad biológie - k pôvodu samotného života. Práve z tejto úlohy sa vyvinula súčasná oblasť jeho výskumu.
„Fyzici môžu klásť otázky inak,“je presvedčený Goldenfeld. „Mojou motiváciou bolo vždy hľadať v biológii oblasti, v ktorých by takýto prístup mal zmysel. Aby ste uspeli, musíte spolupracovať s biológmi a stať sa v skutočnosti jedným sami. Fyzika a biológia sú rovnako potrebné. ““
Quanta hovoril s Goldenfeldom o kolektívnych javoch vo fyzike ao expanzii syntetickej teórie evolúcie. Diskutovali aj o použití kvantitatívnych a teoretických nástrojov z fyziky na odstránenie závoja tajomstva, ktoré obklopuje raný život na Zemi, ao interakciách medzi cyanobaktériami a dravými vírusmi. Nasleduje zhrnutie tejto konverzácie.
Propagačné video:
Fyzika má základnú koncepčnú štruktúru, zatiaľ čo biológia nie. Pokúšate sa vyvinúť všeobecnú teóriu biológie?
"Bože, samozrejme, že nie." V biológii neexistuje jediná teória. Evolúcia je najbližšia vec, ktorú k nej môžete priniesť. Biológia samotná je výsledkom evolúcie; život v celej svojej rozmanitosti a bez výnimky sa vyvinul v dôsledku vývoja. Je nevyhnutné skutočne porozumieť evolúcii ako procesu, aby sme pochopili biológiu.
Ako môžu kolektívne účinky z oblasti fyziky dopĺňať naše chápanie evolúcie?
Keď uvažujete o evolúcii, zvyčajne uvažujete o populačnej genetike, o opakovaní génov v populácii. Ak sa však pozriete na posledný univerzálny spoločný predok (organizmus predkov všetkých ostatných organizmov, ktorý môžeme sledovať pomocou fylogenetiky), pochopíte, že to nie je úplný začiatok pôvodu života.
Predtým existovala určite ešte jednoduchšia forma života - forma, ktorá nemala ani gény, keď ešte neboli žiadne druhy. Vieme, že evolúcia je oveľa širší fenomén ako populačná genetika.
Posledný spoločný spoločný predok žil pred 3,8 miliardami rokov. Planéta Zem má 4,6 miliardy rokov. Život sám prešiel od počiatku až po zložitosť modernej bunky za menej ako miliardu rokov. Pravdepodobne ešte rýchlejšie: odvtedy došlo vo vývoji bunkovej štruktúry k pomerne malému vývoju. Ukazuje sa, že vývoj za posledných 3,5 miliardy rokov bol pomalý, ale na začiatku veľmi rýchly. Prečo sa život vyvíjal tak rýchlo?
Karl Woese (biofyzik, zomrel v roku 2012) a ja som veril, že pôvodne sa vývoj vyvíjal inak. V našej dobe sa život vyvíja prostredníctvom „vertikálneho“dedičstva: odovzdávate svoje gény svojim deťom, potom zasa svojim deťom atď. „Horizontálny“prenos génov sa uskutočňuje medzi organizmami, ktoré nie sú navzájom prepojené.
Toto sa teraz deje v baktériách a iných organizmoch s génmi, ktoré nie sú veľmi dôležité v bunkovej štruktúre. Napríklad gény, ktoré dávajú rezistenciu na antibiotiká - vďaka nim baktérie získavajú ochranu pred drogami tak rýchlo. Avšak v počiatočných fázach života bol prenášaný horizontálne aj základný mechanizmus bunky.
Predtým bol život kumulatívnym stavom a bol skôr spoločenstvom úzko súvisiacim s výmenou génov, než iba zbierkou jednotlivých foriem. Existuje mnoho ďalších príkladov kolektívnych stavov, napríklad kolónia včiel alebo kŕdeľ vtákov, kde sa zdá, že kolektív má svoju vlastnú osobnosť a správanie, ktoré vyplývajú z prvkov a spôsobov interakcie. Raný život bol sprostredkovaný prenosom génov.
Ako vieš?
„Taký rýchly a optimálny vývoj života môžeme vysvetliť iba vtedy, ak umožníme účinok tejto„ skorej siete “a nie stromu [rodiny]. Asi pred 10 rokmi sme zistili, že táto teória sa vzťahuje na genetický kód, na pravidlá, ktoré hovoria bunke, ktoré aminokyseliny majú použiť na výrobu bielkovín. Každý organizmus na planéte má rovnaký genetický kód s minimálnymi rozdielmi.
V 60. rokoch minulého storočia Karl ako prvý prišiel s myšlienkou, že genetický kód, ktorý vlastníme, je čo najmenší na minimalizovanie chýb. Aj keď získate nesprávnu aminokyselinu v dôsledku mutácie alebo chyby v mechanizme bunkového transportu, genetický kód presne určí aminokyselinu, ktorú by ste mali dostať. Stále máte šancu, že proteín, ktorý produkujete, bude fungovať a vaše telo nezomrie.
David Haig (Harvard) a Lawrence Hirst (University of Bath) ako prví demonštrovali, že túto myšlienku je možné kvalitatívne vyhodnotiť pomocou metódy Monte Carlo: pokúsili sa zistiť, ktorého genetický kód je voči tomuto druhu chyby najodolnejší. A my sami sme sa stali odpoveďou. Toto je skutočne prekvapujúci objav, ale nie taký rozšírený, ako by mal byť.
Neskôr, Karl a ja, sme spolu s Kalinom Vestigianom (Wisconsinská univerzita v Madisone) uskutočnili virtuálne simulácie skupín organizmov s mnohými umelými hypotetickými genetickými kódmi. Vytvorili sme modely počítačových vírusov, ktoré napodobňovali živé systémy: mali genóm, exprimovali proteíny, mohli sa replikovať, prežiť výber a ich adaptabilita bola funkciou ich vlastných proteínov.
Zistili sme, že sa vyvíjali nielen ich genómy. Vyvinul sa aj ich genetický rok. Pokiaľ ide o vertikálny vývoj (medzi generáciami), genetický kód sa nikdy nestane jedinečným alebo optimálnym. Ale pokiaľ ide o efekt „kolektívnej siete“, genetický kód sa rýchlo vyvíja do jedinečného optimálneho stavu, ktorý dnes pozorujeme.
Tieto zistenia a otázky o tom, ako mohol život získať tieto genetické kódy tak rýchlo, naznačujú, že by sme mali vidieť znaky horizontálneho prenosu génov skôr ako v poslednom všeobecnom spoločnom predku. Vidíme ich: niektoré enzýmy, ktoré sú spojené s hlavným mechanizmom bunkovej translácie a génovej expresie, ukazujú silný dôkaz skorého horizontálneho prenosu génov.
Ako sa môžete spoľahnúť na tieto závery?
- Tommaso Biancalani a ja (teraz na MIT) urobili štúdiu asi pred rokom - náš článok bol uverejnený o ňom - že život automaticky vypne horizontálny prenos génov, len čo sa to dosť komplikuje. Keď tento proces simulujeme, v podstate sa sám vypne. Uskutočňuje sa pokus o horizontálny prenos génov, ale takmer nič nezakorení. Jediným dominantným evolučným mechanizmom je potom vertikálny vývoj, ktorý bol vždy prítomný. Teraz sa pokúšame experimentovať, aby sme zistili, či jadro úplne prešlo z horizontálneho na vertikálny prenos.
Je to z dôvodu tohto prístupu k ranej evolúcii, že ste povedali, že by sme mali hovoriť o biológii inak?
Ľudia majú tendenciu myslieť na evolúciu ako na synonymum populačnej genetiky. Myslím si, že je to v zásade správne. Ale nie naozaj. K evolúcii došlo ešte skôr, ako existovali gény, a to sa nedá vysvetliť štatistickými modelmi populačnej genetiky. Existujú kolektívne spôsoby evolúcie, ktoré je potrebné brať vážne (napríklad procesy ako horizontálny prenos génov).
V tomto zmysle je naše chápanie evolúcie ako procesu príliš úzke. Musíme premýšľať o dynamických systémoch a o tom, ako je možné, že systémy schopné vývoja a reprodukcie sú vôbec schopné existovať. Keď uvažujete o fyzickom svete, nie je zrejmé, prečo jednoducho nerobíte viac mŕtvych vecí.
Prečo má planéta schopnosť podporovať život? Prečo život dokonca existuje? Dynamika vývoja by mala byť schopná tento problém vyriešiť. Je pozoruhodné, že nemáme ani predstavu o tom, ako tento problém vyriešiť. A keďže život začal ako niečo fyzického, nie biologického, prejavuje fyzický záujem.
Ako zapadá vaša práca na siniciach do aplikácie teórie kondenzovaných látok?
- S mojím postgraduálnym študentom Hong-Yang Shi sme s modelovali ekosystém organizmu nazývaného Prochlorococcus, cyanobaktéria, ktorá žije v oceáne a používa fotosyntézu. Myslím si, že tento organizmus môže byť najbohatším bunkovým organizmom na tejto planéte.
Existujú vírusy, „fágy“, ktoré živia baktérie. Pred desiatimi rokmi vedci zistili, že tieto fágy tiež obsahujú gény pre fotosyntézu. Zvyčajne si nemyslíte, že vírus je niekto, kto potrebuje fotosyntézu. Prečo teda nesú tieto gény?
„Zdá sa, že baktérie a fágy sa nechovajú presne ako model predátorských koristi. Baktérie prospievajú fágom. V skutočnosti by baktérie mohli brániť fágom, aby na ne zaútočili rôznymi spôsobmi, ale nie celkom. Fágové fotosyntetické gény pôvodne pochádzali z baktérií - a prekvapivo ich fágy potom preniesli späť na baktérie. Za posledných 150 miliónov rokov sa gény pre fotosyntézu niekoľkokrát presunuli medzi baktérie a fágy.
Ukazuje sa, že gény sa vyvíjajú oveľa rýchlejšie vo vírusoch ako v baktériách, pretože proces replikácie vírusov je oveľa kratší a pravdepodobnejší je výskyt chýb (replikácia je proces syntézy dcérskej molekuly deoxyribonukleovej kyseliny na šablóne materskej molekuly DNA - už nie).
Ako vedľajší účinok fágového lovu na baktérie sa bakteriálne gény niekedy prenášajú na vírusy, kde sa môžu šíriť, rýchlo rozvíjať a potom sa vracať na baktérie, ktoré z toho môžu mať úžitok. Preto boli fágy prospešné pre baktérie. Napríklad existujú dva kmene Prochlorococcus, ktoré žijú v rôznych hĺbkach. Jeden z týchto ekotypov je prispôsobený na to, aby žil bližšie k povrchu, kde je svetlo oveľa intenzívnejšie a rozdiel v jeho frekvenciách je väčší. Táto adaptácia môže byť spôsobená skutočnosťou, že vírusy sa rýchlo vyvinuli.
Vírusy tiež profitujú z génov. Keď vírus infikuje hostiteľa a replikuje sa sám, počet nových vírusov, ktoré vytvára, závisí od toho, ako dlho môže zachytená bunka prežiť. Ak vírus nesie systém na podporu života (gény pre fotosyntézu), môže udržať bunku dlhšie, aby vytvoril ďalšie kópie vírusu.
Vírus, ktorý nesie gény pre fotosyntézu, má oproti vírusu, ktorý ho nemá, konkurenčnú výhodu. Vírusy vyvíjajú tlak na prenos génov, z ktorých má prospech hostiteľ. Očakávali by ste, že pretože vírusy mutujú tak rýchlo, ich gény sa rýchlo „degradujú“. Na základe výpočtov sme však zistili, že baktérie filtrujú „dobré“gény a prenášajú ich na vírusy.
Preto je to roztomilý príbeh: interakcia týchto baktérií a vírusov pripomína správanie látky v kondenzovanom stave - tento systém sa dá modelovať na predpovedanie jeho vlastností.
Hovorili sme o fyzickom prístupe k biológii. Už ste videli opak, keď fyzika inšpirovala biológia?
- Áno. Pracujem na turbulenciách. Keď sa vrátim domov, v noci ma udržuje hore. V článku publikovanom minulý rok v Nature Physics, Hong-Yan Shin, Tsung-Lin Sheng, som chcel podrobne vysvetliť, ako tekutina v potrubí prechádza z plastového stavu, kde prúdi hladko a predvídateľne, do stavu turbulencie, kde je jeho správanie nepredvídateľné. a zle.
Zistili sme, že pred prechodom sa turbulencia správa ako ekosystém. Existuje špeciálny dynamický režim toku tekutiny, podobný predátorovi: snaží sa jesť turbulencie a interakcia medzi týmto režimom a výslednou turbulenciou vedie k niektorým javom, ktoré vidíte, keď sa tekutina stane turbulentnou.
Naša práca nakoniec predpokladá, že v tekutinách dochádza k určitému typu fázového prechodu, a to potvrdzujú aj experimenty. Keďže sa ukázalo, že problém fyziky je vhodný na vyriešenie tohto biologického problému - o vzťahu medzi dravcom a korisťou -, Hong-Yan a ja sme vedeli, ako napodobňovať a simulovať systém a reprodukovať to, čo ľudia vidia v experimentoch. Poznanie biológie nám skutočne pomohlo pochopiť fyziku.
Existujú nejaké obmedzenia pre fyzický prístup k biológii?
- Existuje nebezpečenstvo opakovania iba toho, čo je známe, takže nemôžete robiť žiadne nové predpovede. Ale niekedy sa zjednoduší vaša abstrakcia alebo minimálne zastúpenie a v procese niečo stratíte.
Teoreticky nemôžete myslieť. Mali by ste si prevliecť rukávy na štúdium biológie, mali by ste byť úzko prepojení so skutočnými experimentálnymi javmi a skutočnými údajmi.
Preto sa naša práca vykonáva v spolupráci s experimentátormi: spolu so svojimi kolegami som zbieral mikróby z horúcich prameňov v národnom parku Yellowstone, sledoval som gény „skákania“v živých bunkách v reálnom čase, postupne (sekvenovanie - určovanie aminokyselinovej alebo nukleotidovej sekvencie - približne nové) gastrointestinálne - črevný mikrobiom stavovcov. Každý deň pracujem na Inštitúte genómovej biológie, hoci fyzika je mojím „natívnym“poľom.
Jordana Cepelewicz
Preklad sa uskutočnil v rámci projektu New