Fizičar Nigel Goldenfeld mrzi biologiju: „Barem ne u onom obliku u kojem su me učili u školi“, kaže on. "Bilo je to poput raskalašnog niza činjenica. Praktično nije bilo precizne kvantitativne analize. " Ovakav stav mogao bi iznenaditi sve koji pogledaju mnoge projekte na kojima Goldenfeld radi.
On i njegove kolege prate kolektivno i pojedinačno ponašanje pčela, analiziraju biofilmove, promatraju skakanje gena, procjenjuju raznolikost života u ekosustavima i istražuju odnos mikrobioma.
Goldenfeld je šef NASA-inog instituta za astrobiologiju za opću biologiju, ali također većinu vremena provodi ne na odjelu za fiziku na Sveučilištu u Illinoisu, već u svom biološkom laboratoriju na kampusu u Urbani-Champaign.
Nigel Goldenfeld nije jedini fizičar koji pokušava riješiti probleme u biologiji. U 1930-ima Max Delbrück promijenio je koncept virusa. Kasnije je Erwin Schrödinger objavio Što je život? Fizički aspekt žive stanice”. Francis Crick, pionir u kristalografiji rendgenskih zraka, pomogao je u otkrivanju strukture DNK.
Goldenfeld želi imati koristi od svog znanja teorije kondenzirane materije. Proučavajući ovu teoriju, on simulira razvoj uzorka u dinamičnom fizičkom sustavu kako bi bolje razumio razne pojave (turbulencije, fazni prijelazi, značajke geoloških stijena, financijsko tržište).
Zanimanje za novonastalo stanje tvari dovelo je fizičare do jedne od najvećih misterija biologije - podrijetla samog života. Iz tog se zadatka razvila sadašnja grana njegovog istraživanja.
"Fizičari mogu postavljati pitanja drugačije", uvjeren je Goldenfeld. „Moja je motivacija uvijek bila tražiti u biologiji područja gdje bi takav pristup imao smisla. Ali da biste uspjeli, trebate surađivati s biolozima i, zapravo, sami postati jedno. Fizika i biologija su podjednako potrebni."
Quanta je razgovarao s Goldenfeldom o kolektivnim pojavama u fizici i širenju sintetske teorije evolucije. Također su razgovarali o korištenju kvantitativnih i teorijskih alata iz fizike za uklanjanje vela misterije koja okružuje rani život na Zemlji i interakcija između cijanobakterija i grabežljivih virusa. Slijedi sažetak ovog razgovora.
Promotivni video:
Fizika ima osnovnu konceptualnu strukturu, dok biologija nema. Pokušavate li razviti opću teoriju o biologiji?
Bože, naravno da ne. U biologiji ne postoji jedinstvena teorija. Evolucija je najbliža stvar koju joj možete donijeti. Sama biologija rezultat je evolucije; život u svoj svojoj raznolikosti i bez izuzetka razvio se kao rezultat evolucije. Za razumijevanje biologije potrebno je istinski razumjeti evoluciju kao proces.
Kako kolektivni učinci iz područja fizike mogu nadopuniti naše razumijevanje evolucije?
Kad razmišljate o evoluciji, obično ste skloni razmišljati o populacijskoj genetici, o ponavljanju gena u populaciji. Ali ako pogledate Posljednjeg univerzalnog zajedničkog pretka (organizam predaka svih ostalih organizama koje možemo proći kroz filogenetiku), shvatit ćete da to nije sam početak nastanka života.
Prije toga, definitivno je postojao još jednostavniji oblik života - oblik koji nije posjedovao ni gene dok još nije bilo vrsta. Znamo da je evolucija mnogo širi fenomen od populacijske genetike.
Posljednji univerzalni zajednički predak živio je prije 3,8 milijardi godina. Planeta Zemlja stara je 4,6 milijardi godina. Sam život putovao je od početka do složenosti moderne ćelije za manje od milijardu godina. Vjerojatno još brže: od tada se dogodio relativno mali razvoj evolucije stanične strukture. Ispada da je evolucija u posljednjih 3,5 milijardi godina bila spora, ali u početku vrlo brza. Zašto se život tako brzo razvio?
Karl Woese (biofizičar, umro 2012.) i vjerovao sam da se u početku razvoj odvijao drugačije. U našem se vremenu život razvija „vertikalnim“nasljeđivanjem: svoje gene prenosite na svoju djecu, oni, zauzvrat, na svoju djecu i tako dalje. "Horizontalni" prijenos gena provodi se između organizama koji nisu povezani međusobno.
To se sada događa u bakterijama i drugim organizmima s genima koji nisu vrlo važni u staničnoj strukturi. Na primjer, geni koji daju otpornost na antibiotike - zahvaljujući njima bakterije tako brzo stječu zaštitu od lijekova. Međutim, u ranim fazama života čak je i osnovni mehanizam stanice prenosio vodoravno.
Prije toga, život je bio kumulativno stanje i više je bio zajednica usko vezana razmjenom gena nego samo zbirka pojedinačnih oblika. Mnogo je drugih primjera kolektivnih stanja, poput kolonije pčela ili jata ptica, gdje čini se da kolektiv ima svoju osobnost i ponašanje, proizilazeći iz elemenata i načina na koji komuniciraju. Rani život komunicirao se prijenosom gena.
Kako znaš?
"Možemo objasniti takav brz i optimalan razvoj života samo ako dopustimo učinak ove" rane mreže ", a ne [obiteljskog] stabla. Prije otprilike 10 godina otkrili smo da se ta teorija primjenjuje na genetski kod, na pravila koja ćeliji govore koje aminokiseline trebaju koristiti za izradu proteina. Svaki organizam na planeti ima isti genetski kod s minimalnim razlikama.
U šezdesetim godinama Karl prvi je došao na ideju da je genetski kod koji posjedujemo što je moguće bolje kako bi se smanjile pogreške. Čak i ako ste dobili pogrešnu aminokiselinu zbog mutacije ili pogreške u mehanizmu staničnog transporta, genetski će kôd točno odrediti aminokiselinu koju biste trebali primiti. Dakle, još uvijek imate šansu da protein koji proizvodite funkcionira i da vaše tijelo neće umrijeti.
David Haig (Harvard) i Lawrence Hirst (University of Bath) prvi su pokazali da se ta ideja može kvalitativno ocijeniti Monte Carlo metodom: pokušali su otkriti čiji je genetski kod najotporniji na ovu vrstu pogreške. I sami smo postali odgovor. Ovo je doista zapanjujuće otkriće, ali ne toliko rašireno koliko bi trebalo biti.
Kasnije smo Karl i ja zajedno s Kalinom Vestigian (Sveučilište Wisconsin u Madisonu) izvršili virtualne simulacije skupina organizama s mnogim umjetnim, hipotetičkim genetskim kodovima. Stvorili smo modele računalnih virusa koji su oponašali žive sustave: imali su genom, izražene proteine, mogli su se replicirati, preživjeti selekciju, a njihova prilagodljivost bila je funkcija vlastitih proteina.
Otkrili smo da se nisu razvijali samo njihovi genomi. Njihova se genetska godina također razvijala. Kada je u pitanju vertikalna evolucija (između generacija), genetski kod nikada ne postaje jedinstven ili optimalan. Ali kad je u pitanju učinak "kolektivne mreže", tada se genetski kod brzo razvija u jedinstveno optimalno stanje kakvo danas promatramo.
Ova otkrića i pitanja o tome kako je život mogao tako brzo steći ove genetske kodove sugeriraju da bi trebali vidjeti znakove horizontalnog prijenosa gena ranije, na primjer, Posljednjeg univerzalnog zajedničkog pretka. I vidimo ih: neki enzimi koji su povezani s glavnim mehanizmom transformacije stanica i ekspresijom gena pokazuju snažne dokaze za rani horizontalni prijenos gena.
Kako ste se mogli osloniti na ove zaključke?
- Tommaso Biancalani i ja (sada na MIT-u) proveli smo studiju prije otprilike godinu dana - o njemu je objavljen naš članak - da se život automatski isključuje horizontalnim prijenosom gena čim se dovoljno zakomplicira. Kad simuliramo ovaj postupak, on se u osnovi sam po sebi isključuje. Čine se pokušaji obavljanja horizontalnog prijenosa gena, ali gotovo ništa ne dolazi u korijen. Tada je jedini dominantni evolucijski mehanizam vertikalna evolucija, koja je oduvijek bila prisutna. Sada pokušavamo napraviti eksperimente kako bismo vidjeli je li kernel u potpunosti napravio prijelaz iz horizontalnog u vertikalni prijenos.
Jeste li zbog takvog pristupa ranoj evoluciji rekli da o biologiji trebamo govoriti drugačije?
Ljudi skloni razmišljati o evoluciji kao sinonim za populacijsku genetiku. Mislim da je to u principu točno. Ali ne baš. Evolucija se odvijala i prije postojanja gena, a to se ne može objasniti statističkim modelima populacijske genetike. Postoje kolektivni načini evolucije koje također treba shvatiti ozbiljno (na primjer, procesi poput horizontalnog prijenosa gena).
U tom je smislu naše razumijevanje evolucije kao procesa preusko. Trebamo razmišljati o dinamičnim sustavima i kako je moguće da sustavi koji se mogu razvijati i reproducirati uopće postoje. Kada razmišljate o fizičkom svijetu, nije očito zašto jednostavno ne radite više mrtvih stvari.
Zašto planeta ima sposobnost da podržava život? Zašto život uopće postoji? Dinamika evolucije trebala bi biti u stanju riješiti to pitanje. Znakovito je da mi uopće nemamo pojma kako riješiti to pitanje. A s obzirom na to da je život počeo kao nešto fizičko, a ne biološko, on izražava fizički interes.
Kako se vaš rad na cijanobakterijama uklapa u primjenu teorije kondenziranih tvari?
- Moj diplomski student Hong-Yang Shi i ja modelirali smo ekosustav organizma zvanog Prochlorococcus, cijanobakterija koja živi u oceanu i koristi fotosintezu. Mislim da je ovaj organizam možda najzastupljeniji stanični organizam na planeti.
Postoje virusi, "fagovi" koji plijene bakterijama. Prije desetak godina, znanstvenici su otkrili da i ti fagovi imaju gene za fotosintezu. O virusu obično ne razmišljate kao o nekome kome je potrebna fotosinteza. Zašto oni nose te gene?
Čini se da se bakterije i fagovi ne ponašaju baš kao predatorski plijen. Bakterije djeluju u fagama. Zapravo, bakterije bi mogle spriječiti da ih fagi napadaju na različite načine, ali ne barem barem ne u potpunosti. Fagonski fotosintetski geni izvorno su poticali od bakterija - i iznenađujuće je što ih je fag vratio natrag bakterijama. Tijekom proteklih 150 milijuna godina geni za fotosintezu kretali su se između bakterija i faga nekoliko puta.
Ispada da se geni razvijaju mnogo brže u virusima nego u bakterijama, jer je proces replikacije na viruse mnogo kraći i vjerojatnije će pogriješiti (replikacija je proces sintetiziranja kćerke molekule deoksiribonukleinske kiseline na predlošku matične molekule DNA - ne više).
Kao nuspojava lova na fage na bakterije, bakterijski se geni ponekad prenose u viruse, gdje se mogu širiti, razvijati brzo, a zatim se vraćaju bakterijama, što od toga može imati koristi. Stoga su fagi bili korisni za bakterije. Na primjer, postoje dva soja Prochlorococcus koja žive na različitim dubinama. Jedan od tih ekotipova prilagođen je za život bliže površini, gdje je svjetlost mnogo jača, a razlika u njegovim frekvencijama veća. Ova prilagodba može biti posljedica činjenice da su se virusi brzo razvijali.
Virusi također imaju koristi od gena. Kada virus inficira domaćina i replicira se, broj novih virusa koje stvori ovisi o tome koliko dugo zarobljena stanica može preživjeti. Ako virus nosi sustav za održavanje života (geni za fotosintezu), on može duže zadržati stanicu da bi napravio više kopija virusa.
Virus koji nosi gene za fotosintezu ima konkurentsku prednost u odnosu na onu koja nema. Postoji uzgojni pritisak na viruse za prijenos gena koji pogoduju domaćinu. Očekivali biste da će se njihovi geni, tako brzo mutirati, tako brzo razgraditi. No, kao rezultat izračuna, otkrili smo da bakterije filtriraju "dobre" gene i prenose ih na viruse.
Stoga je ovo slatka priča: interakcija tih bakterija i virusa nalikuje ponašanju tvari u kondenziranom stanju - ovaj sustav može se modelirati da predvidi njegova svojstva.
Razgovarali smo o fizičkom pristupu biologiji. Jeste li vidjeli suprotno kad je biologija nadahnula fiziku?
- Da. Radim na turbulencijama. Kad se vratim kući, ona me održava budnom noću. U članku objavljenom prošle godine u časopisu Nature Physics, Hong-Yan Shin, Tsung-Ling Sheng i ja željeli smo detaljno objasniti kako tekućina u cijevi prelazi iz plastičnog stanja u kojem teče glatko i predvidljivo, do stanja turbulencije, gdje je njezino ponašanje nepredvidivo. i pogrešno.
Otkrili smo da se prije tranzicije turbulencija ponaša poput ekosustava. Postoji poseban dinamički režim protoka tekućine, sličan grabežljivcu: pokušava "pojesti" turbulencije, a interakcija između ovog režima i rezultirajuće turbulencije dovodi do nekih pojava koje vidite kada tekućina postane turbulentna.
Konačno, naš rad pretpostavlja da se u tekućinama događa određena vrsta faznog prijelaza, a to potvrđuju eksperimenti. Budući da se fizički problem pokazao prikladnim za rješavanje tog biološkog problema - o odnosu između grabežljivca i plijena - Hong-Yan i ja znali smo oponašati i simulirati sustav i reproducirati ono što ljudi vide u eksperimentima. Poznavanje biologije zaista nam je pomoglo u razumijevanju fizike.
Postoje li ograničenja za fizički pristup biologiji?
- Postoji opasnost ponoviti samo ono što je poznato, tako da ne možete stvarati nova predviđanja. Ali ponekad se apstrakcija ili minimalno predstavljanje pojednostavljuje i nešto gubite u procesu.
Ne možete razmišljati previše teoretski. Zavijte rukave da biste studirali biologiju, bili usko povezani sa stvarnim eksperimentalnim pojavama i stvarnim podacima.
Zato se naš rad provodi u suradnji s eksperimentatorima: zajedno s kolegama skupljao sam mikrobe iz vrućih izvora nacionalnog parka Yellowstone, u stvarnom vremenu gledao „skačuće“gene u živim stanicama, sekvencirao ih (sekvenciranje - određivanje aminokiselinske ili nukleotidne sekvence - cca. - crijevni mikrobiom kralježnjaka. Svakog dana radim na Institutu genomske biologije, iako je fizika moje "zavičajno" polje.
Jordana Cepelewicz
Prevod je obavio projekt Novo