Fysiker Nigel Goldenfeld hader biologi:”I det mindste ikke i den form, hvor jeg blev undervist i skolen,” siger han.”Det var som et spændende sæt fakta. Der var praktisk talt ingen nøjagtig kvantitativ analyse. Denne holdning overrasker måske enhver, der ser på de mange projekter Goldenfelds laboratorium arbejder på.
Han og hans kolleger overvåger honningbieres kollektive og individuelle adfærd, analyserer biofilmer, observerer gener, der hopper, vurderer mangfoldigheden af liv i økosystemer og udforsker forholdet mellem mikrobiomer.
Goldenfeld er leder af NASAs astrobiologiske institut for generel biologi, men han tilbringer også det meste af sin tid ikke på fysikafdelingen ved University of Illinois, men i sit biologiske laboratorium på campus i Urbana-Champaign.
Nigel Goldenfeld er ikke den eneste fysiker, der prøver at løse biologiske problemer. I 1930'erne ændrede Max Delbrück begrebet virus. Senere udgav Erwin Schrödinger Hvad er livet? Det fysiske aspekt af en levende celle”. Francis Crick, en pioner inden for røntgenkrystallografi, hjalp med at afdække strukturen af DNA.
Goldenfeld ønsker at drage fordel af sin viden om teori om kondenseret stof. I studiet af denne teori simulerer han udviklingen af en prøve i et dynamisk fysisk system for bedre at forstå forskellige fænomener (turbulens, faseovergange, funktioner i geologiske klipper, det finansielle marked).
En interesse i den opståede tilstand af materie førte fysikere til et af de største biologiske mysterier - selve livets oprindelse. Det var fra denne opgave, at den nuværende gren af hans forskning udviklede sig.
"Fysikere kan stille spørgsmål anderledes," er Goldenfeld overbevist om.”Min motivation har altid været at kigge inden for biologi efter områder, hvor en sådan tilgang ville give mening. Men for at lykkes, er du nødt til at arbejde sammen med biologer og faktisk blive en selv. Fysik og biologi er lige så nødvendige."
Quanta talte med Goldenfeld om kollektive fænomener i fysik og udvidelsen af den syntetiske evolutionsteori. De drøftede også brugen af kvantitative og teoretiske værktøjer fra fysik til at afdække mysteriet med slør, der omgiver det tidlige liv på Jorden og samspillet mellem cyanobakterier og rovvirus. Følgende er en oversigt over denne samtale.
Salgsfremmende video:
Fysik har en grundlæggende konceptuel struktur, mens biologi ikke gør det. Forsøger du at udvikle en generel teori om biologi?
”Gud, selvfølgelig ikke. Der er ingen enkelt teori inden for biologi. Evolution er den tætteste ting, du kan bringe den. Biologien i sig selv er resultatet af evolutionen; livet i al sin mangfoldighed og uden undtagelse har udviklet sig som et resultat af evolutionen. Det er nødvendigt at virkelig forstå evolution som en proces for at forstå biologi.
Hvordan kan kollektive effekter fra fysikområdet supplere vores forståelse af evolution?
Når du tænker på evolution, har du normalt en tendens til at tænke på populationsgenetik, om gentagelse af gener i en befolkning. Men hvis du ser på den sidste universelle fælles forfader (stamfarorganismen til alle andre organismer, som vi kan spore gennem fylogenetik), vil du forstå, at dette ikke er starten på livets oprindelse.
Før det var der bestemt en endnu enklere livsform - en form, der ikke engang havde gener, når der ikke var nogen art endnu. Vi ved, at evolution er et meget bredere fænomen end populationsgenetik.
Den sidste universelle fælles stamfar levede for 3,8 milliarder år siden. Planet Earth er 4,6 milliarder år gammel. Livet selv har rejst fra starten til den moderne celle kompleksitet på mindre end en milliard år. Sandsynligvis endnu hurtigere: Siden da er der relativt få udviklinger inden for udviklingen af cellestrukturen. Det viser sig, at udviklingen har været langsom i de sidste 3,5 milliarder år, men meget hurtig i starten. Hvorfor har livet udviklet sig så hurtigt?
Karl Woese (biofysiker, død 2012), og jeg troede, at udviklingen oprindeligt skete forskelligt. I vores æra udvikler livet sig gennem "lodret" arv: du videregiver dine gener til dine børn, de igen til deres børn, og så videre. Den "horisontale" overførsel af gener udføres mellem organismer, der ikke er forbundet med hinanden.
Dette sker nu i bakterier og andre organismer med gener, der ikke er meget vigtige i cellestruktur. For eksempel gener der giver resistens over for antibiotika - takket være dem får bakterier beskyttelse mod medikamenter så hurtigt. I de tidlige faser af livet blev selv cellenes grundlæggende mekanisme imidlertid transmitteret vandret.
Tidligere var livet en kumulativ tilstand og var mere et samfund, der er tæt sammensat af genudveksling end blot en samling af individuelle former. Der er mange andre eksempler på kollektive tilstande, såsom en koloni af bier eller en flok fugle, hvor kollektivet ser ud til at have sin egen personlighed og adfærd, der stammer fra de elementer og måder, hvorpå de interagerer. Det tidlige liv blev kommunikeret gennem genoverførsel.
Hvordan ved du det?
”Vi kan kun forklare en så hurtig og optimal livsudvikling, hvis vi tillader virkningen af dette“tidlige netværk”og ikke [familiens] træ. For ca. 10 år siden opdagede vi, at denne teori anvendte den genetiske kode, de regler, der fortæller cellen, hvilke aminosyrer, der skal bruges til at fremstille protein. Hver organisme på planeten har den samme genetiske kode med minimale forskelle.
I 1960'erne var Karl den første, der kom med tanken om, at den genetiske kode, vi har, er så god som muligt for at minimere fejl. Selv hvis du får den forkerte aminosyre på grund af en mutation eller en fejl i den cellulære transportmekanisme, bestemmer den genetiske kode nøjagtigt den aminosyre, du skal modtage. Så har du stadig en chance for, at det protein, du producerer, fungerer, og at din krop ikke dør.
David Haig (Harvard) og Lawrence Hirst (University of Bath) var de første til at demonstrere, at denne idé kan evalueres kvalitativt ved hjælp af Monte Carlo-metoden: de forsøgte at finde ud af, hvis genetiske kode er mest modstandsdygtig over for denne type fejl. Og vi blev selv svaret. Dette er virkelig en overraskende opdagelse, men ikke så udbredt som den burde være.
Senere udførte Karl og jeg sammen med Kalin Vestigian (University of Wisconsin i Madison) virtuelle simuleringer af grupper af organismer med mange kunstige, hypotetiske genetiske koder. Vi skabte computervirusmodeller, der efterlignede levende systemer: De havde et genom, udtrykte proteiner, de kunne replikere sig selv, overleve selektion, og deres tilpasningsevne var en funktion af deres egne proteiner.
Vi fandt, at ikke kun deres genom udviklede sig. Deres genetiske år udviklede sig også. Når det kommer til vertikal udvikling (mellem generationer), bliver den genetiske kode aldrig unik eller optimal. Men når det kommer til det "kollektive netværks" -effekt, udvikler den genetiske kode sig hurtigt til den unikke optimale tilstand, som vi observerer i dag.
Disse fund, og spørgsmål om, hvordan livet kunne have erhvervet disse genetiske koder så hurtigt, antyder, at vi skulle se tegn på horisontal genoverførsel tidligere end for eksempel i Last Universal Common Ancestor. Og vi ser dem: nogle af de enzymer, der er forbundet med hovedmekanismen for celle-translation og genekspression, viser stærke bevis for tidlig horisontal genoverførsel.
Hvordan kunne du stole på disse konklusioner?
- Tommaso Biancalani og jeg (nu på MIT) gennemførte en undersøgelse for omkring et år siden - vores artikel blev offentliggjort om ham - at livet automatisk slukker for horisontal genoverførsel, så snart det blev kompliceret nok. Når vi simulerer denne proces, lukkes den dybest set af sig selv. Der gøres forsøg på at udføre horisontal genoverførsel, men næsten intet slår rod. Så er den eneste dominerende evolutionære mekanisme vertikal evolution, som altid har været til stede. Vi forsøger nu at udføre eksperimenter for at se, om kernen fuldstændigt har foretaget overgangen fra vandret til lodret transmission.
Er det på grund af denne tilgang til tidlig evolution, at du sagde, at vi skulle tale anderledes om biologi?
Folk har tendens til at tænke på evolution som synonym med populationsgenetik. Jeg mener, at dette principielt er korrekt. Men ikke rigtig. Evolution fandt sted, før gener eksisterede, og dette kan ikke forklares med statistiske modeller for populationsgenetik. Der er kollektive måder til udvikling, som også skal tages alvorligt (for eksempel processer som horisontal genoverførsel).
Det er i denne forstand, at vores forståelse af evolution som en proces er for snæver. Vi er nødt til at tænke på dynamiske systemer, og hvordan det er muligt, at systemer, der er i stand til at udvikle og gengive, overhovedet er i stand til at eksistere. Når du tænker på den fysiske verden, er det ikke indlysende, hvorfor du bare ikke gør flere døde ting.
Hvorfor har planeten evnen til at støtte livet? Hvorfor findes livet endda? Evolutionsdynamikken skal kunne løse dette problem. Det er bemærkelsesværdigt, at vi ikke engang har en idé om, hvordan vi løser dette problem. Og da livet begyndte som noget fysisk, ikke biologisk, udtrykker han en fysisk interesse.
Hvordan passer dit arbejde med cyanobakterier ind i anvendelsen af teorien om kondenseret stof?
- Min kandidatstuderende Hong-Yang Shi og jeg modellerede et økosystem af en organisme kaldet Prochlorococcus, et cyanobakterium, der lever i havet og bruger fotosyntesen. Jeg tror, at denne organisme muligvis er den mest rigelige cellulære organisme på planeten.
Der er vira, "fag", der byder på bakterier. For et årti siden opdagede forskere, at disse fager også har gener til fotosyntesen. Man tænker normalt ikke på en virus som en der har brug for fotosyntesen. Så hvorfor bærer de disse gener?
”Det ser ud til, at bakterier og fager ikke opfører sig nøjagtigt som en rovdyr-byttemodel. Bakterier drager fordel af fag. Faktisk kunne bakterier forhindre phages i at angribe dem på forskellige måder, men de gør det ikke, i det mindste ikke helt. Fagfotosyntetiske gener kom oprindeligt fra bakterier - og overraskende overførte fagene dem derefter tilbage til bakterien. I løbet af de sidste 150 millioner år har generne til fotosyntesen bevæget sig mellem bakterier og fager flere gange.
Det viser sig, at gener udvikler sig meget hurtigere i vira end i bakterier, fordi replikationsprocessen for vira er meget kortere og mere sandsynligt at begå fejl (replikation er processen med at syntetisere et dattermolekyle af deoxyribonukleinsyre på skabelonen til moder-DNA-molekylet - ikke mere).
Som en bivirkning af fagjagt efter bakterier overføres bakterielle gener undertiden til vira, hvor de kan sprede sig, udvikle sig hurtigt og derefter vende tilbage til bakterier, som derefter kan drage fordel af det. Derfor var fager fordelagtige for bakterier. For eksempel er der to stammer af Prochlorococcus, der lever på forskellige dybder. En af disse økotyper er tilpasset til at leve tættere på overfladen, hvor lyset er meget mere intens, og forskellen i dens frekvenser er større. Denne tilpasning kan skyldes, at vira har udviklet sig hurtigt.
Vira drager også fordel af gener. Når en virus inficerer en vært og gentager sig selv, afhænger antallet af nye vira, den skaber, af hvor længe den fangede celle kan overleve. Hvis virussen bærer livsstøttesystemet (gener til fotosyntesen), kan den holde cellen længere for at få flere kopier af virussen.
En virus, der bærer gener til fotosyntesen, har en konkurrencefordel i forhold til en, der ikke gør det. Der er avlspres på vira for at overføre gener, der kommer værten til gode. Du kan forvente, at fordi vira muteres så hurtigt, vil deres gener hurtigt "nedbrydes". Men som et resultat af beregninger fandt vi, at bakterier filtrerer "gode" gener og overfører dem til vira.
Derfor er dette en sød historie: interaktion mellem disse bakterier og vira ligner opførsel af et stof i en kondenseret tilstand - dette system kan modelleres til at forudsige dets egenskaber.
Vi talte om en fysisk tilgang til biologi. Har du set det modsatte, når biologien inspirerede fysik?
- Ja. Jeg arbejder på turbulens. Når jeg vender hjem, er det hun, der holder mig vågen om natten. I en artikel, der blev offentliggjort sidste år i Nature Physics, ønskede Hong-Yan Shin, Tsung-Ling Sheng og jeg nærmere at forklare, hvordan en væske i et rør går fra en plastisk tilstand, hvor den flyder glat og forudsigeligt, til en tilstand af turbulens, hvor dens opførsel er uforudsigelig. og forkert.
Vi fandt, at turbulensen før overgangen opfører sig som et økosystem. Der er et specielt dynamisk regime med væskestrøm, der ligner et rovdyr: det forsøger at "spise" turbulens, og samspillet mellem dette regime og den resulterende turbulens fører til nogle af de fænomener, du ser, når væsken bliver turbulent.
I sidste ende antager vores arbejde, at en bestemt type faseovergang forekommer i væsker, og det er, hvad eksperimenter bekræfter. Da fysikproblemet viste sig at være egnet til at løse dette biologiske problem - om forholdet mellem rovdyr og byttedyr - vidste Hong-Yan og jeg hvordan man kunne efterligne og simulere et system og gengive, hvad folk ser i eksperimenter. At kende biologi hjalp os virkelig med at forstå fysik.
Er der nogen begrænsninger for den fysiske tilgang til biologi?
- Der er en fare for kun at gentage det, der er kendt, så du kan ikke komme med nye forudsigelser. Men nogle gange bliver din abstraktion eller minimale repræsentation forenklet, og du mister noget i processen.
Du kan ikke tænke for teoretisk. Du skal rulle ærmerne op for at studere biologi, være tæt forbundet med reelle eksperimentelle fænomener og reelle data.
Derfor er vores arbejde udført i samarbejde med eksperimenter: sammen med kolleger indsamlede jeg mikrober fra de varme kilder i Yellowstone National Park, så de "hoppende" gener i levende celler i realtid, sekventeret (sekventering - bestemmelse af aminosyren eller nukleotidsekvensen - ca. - tarmmikrobiom hos hvirveldyr. Hver dag arbejder jeg på Institute of Genomic Biology, selvom fysik er mit "indfødte" felt.
Jordana Cepelewicz
Oversættelsen blev udført af projektet Ny