Fyzik Nigel Goldenfeld nenávidí biologii: „Alespoň ne ve formě, ve které jsem ji učil ve škole,“říká. "Bylo to jako drsná sada faktů." Prakticky neexistovala žádná přesná kvantitativní analýza. ““Tento postoj by mohl překvapit každého, kdo se dívá na mnoho projektů, na nichž pracuje Goldenfeldova laboratoř.
On a jeho kolegové monitorují kolektivní a individuální chování včel, analyzují biofilmy, pozorují skoky genů, hodnotí rozmanitost forem života v ekosystémech a zkoumají vztah mikrobiomů.
Goldenfeld je ředitelem Astrobiologického ústavu pro obecnou biologii NASA, ale většinu času netráví ve fyzickém oddělení na University of Illinois, ale ve své biologické laboratoři na kampusu v Urbana-Champaign.
Nigel Goldenfeld není jediný fyzik, který se snaží řešit problémy v biologii. Ve 30. letech 20. století změnil Max Delbrück koncept virů. Později Erwin Schrödinger publikoval Co je život? Fyzický aspekt živé buňky “. Francis Crick, průkopník v rentgenové krystalografii, pomohl odhalit strukturu DNA.
Goldenfeld chce využít jeho znalostí teorie kondenzovaných látek. Při studiu této teorie modeluje vývoj vzorku v dynamickém fyzickém systému, aby lépe porozuměl různým jevům (turbulence, fázové přechody, vlastnosti geologických hornin, finanční trh).
Zájem o vznikající stav hmoty vedl fyziky k jednomu z největších tajemství biologie - původu samotného života. Právě z tohoto úkolu se vyvinulo současné odvětví jeho výzkumu.
„Fyzici mohou klást otázky odlišně,“přesvědčil Goldenfeld. "Moje motivace byla vždy hledat v biologii oblasti, kde by takový přístup měl smysl." Chcete-li uspět, musíte pracovat s biology a ve skutečnosti se sami stát. Fyzika a biologie jsou stejně potřebné. ““
Quanta hovořil s Goldenfeldem o kolektivních jevech ve fyzice a rozšíření syntetické teorie evoluce. Diskutovali také o použití kvantitativních a teoretických nástrojů z fyziky ke zrušení závoje záhady, která obklopuje raný život na Zemi, ao interakcích mezi sinicemi a dravými viry. Následuje přehled této konverzace.
Propagační video:
Fyzika má základní koncepční strukturu, zatímco biologie nikoli. Snažíte se vyvinout obecnou teorii biologie?
"Bože, samozřejmě ne." V biologii neexistuje jediná teorie. Evoluce je nejbližší věc, kterou k ní můžete přinést. Biologie sama o sobě je výsledkem evoluce; život v celé své rozmanitosti a bez výjimky se vyvinul v důsledku evoluce. Evoluci je nutné skutečně chápat jako proces, abychom pochopili biologii.
Jak mohou kolektivní efekty z oblasti fyziky doplnit naše chápání evoluce?
Když přemýšlíte o evoluci, obvykle máte tendenci přemýšlet o populační genetice, o opakování genů v populaci. Ale pokud se podíváte na Poslední univerzální společný předchůdce (předchůdce organismů všech ostatních organismů, které můžeme sledovat fylogenetiky), pochopíte, že to není úplně začátek původu života.
Předtím existovala rozhodně ještě jednodušší forma života - forma, která ani neměla geny, když ještě nebyly žádné druhy. Víme, že evoluce je mnohem širší jev než populační genetika.
Poslední univerzální společný předek žil před 3,8 miliardami let. Planeta Země má 4,6 miliardy let. Život sám prošel od počátku do složitosti moderní buňky za méně než miliardu let. Pravděpodobně ještě rychlejší: od té doby došlo ve vývoji buněčné struktury k relativně malému vývoji. Ukazuje se, že vývoj byl v posledních 3,5 miliardách let pomalý, ale na začátku velmi rychlý. Proč se život vyvíjel tak rychle?
Karl Woese (biofyzik, zemřel 2012) a já jsem věřil, že zpočátku se vývoj vyvíjel jinak. V naší éře se život vyvíjí skrze „vertikální“dědičnost: předáváte své geny svým dětem, zase zase svým dětem atd. „Horizontální“přenos genů se provádí mezi organismy, které nejsou vzájemně propojeny.
To se nyní děje u bakterií a jiných organismů s geny, které nejsou příliš důležité ve struktuře buněk. Například geny, které dávají rezistenci na antibiotika - díky nim získávají bakterie takovou ochranu před drogami tak rychle. Avšak v raných fázích života byl i základní mechanismus buňky přenášen horizontálně.
Dříve byl život kumulativním stavem a byl spíš komunitou těsně spjatou s genovou výměnou než jen sbírkou jednotlivých forem. Existuje mnoho dalších příkladů kolektivních stavů, jako je například kolonie včel nebo hejno ptáků, kde se zdá, že kolektiv má svou vlastní osobnost a chování, které vyplývají z prvků a způsobů, jak interagují. Raný život byl sdělen prostřednictvím přenosu genů.
Jak to víš?
„Takový rychlý a optimální vývoj života můžeme vysvětlit, pouze pokud umožníme účinek této„ rané sítě “a ne [rodinného] stromu. Asi před 10 lety jsme zjistili, že tato teorie se vztahuje na genetický kód, na pravidla, která buňce říkají, jaké aminokyseliny použít k výrobě proteinu. Každý organismus na planetě má stejný genetický kód s minimálními rozdíly.
V 60. letech minulého století Karl jako první přišel s myšlenkou, že genetický kód, který máme, je tak dobrý, jak minimalizovat chyby. I když dostanete špatnou aminokyselinu v důsledku mutace nebo chyby v buněčném transportním mechanismu, genetický kód určí aminokyselinu, kterou byste měli dostat. Takže stále máte šanci, že produkovaný protein bude fungovat a vaše tělo nezemře.
David Haig (Harvard) a Lawrence Hirst (University of Bath) jako první demonstrovali, že tento nápad lze kvalitativně vyhodnotit pomocí metody Monte Carlo: pokusili se zjistit, jehož genetický kód je vůči takovému druhu chyby nejodolnější. A my sami jsme se stali odpovědí. Toto je skutečně překvapivý objev, ale ne tak rozšířený, jak by měl být.
Později jsme Karl a já společně s Kalinem Vestigianem (University of Wisconsin v Madisonu) provedli virtuální simulace skupin organismů s mnoha umělými hypotetickými genetickými kódy. Vytvořili jsme modely počítačových virů, které napodobovaly živé systémy: měly genom, exprimovaly proteiny, mohly se replikovat, přežít výběr a jejich přizpůsobivost byla funkcí jejich vlastních proteinů.
Zjistili jsme, že se nejen vyvinuly jejich genomy. Jejich genetický rok se také vyvinul. Pokud jde o vertikální vývoj (mezi generacemi), genetický kód se nikdy nestane jedinečným nebo optimálním. Ale pokud jde o efekt „kolektivní sítě“, genetický kód se rychle vyvíjí do jedinečného optimálního stavu, který dnes pozorujeme.
Tato zjištění a otázky o tom, jak by život mohl získat tyto genetické kódy tak rychle, naznačují, že bychom měli vidět příznaky horizontálního přenosu genů dříve, než například v posledním univerzálním společném předku. A vidíme je: některé enzymy, které jsou spojeny s hlavním mechanismem buněčné translace a genové exprese, ukazují silný důkaz pro včasný horizontální genový přenos.
Jak se můžete spolehnout na tyto závěry?
- Tommaso Biancalani a já (nyní na MIT) jsme provedli studii asi před rokem - náš článek o něm byl publikován - že život automaticky vypne horizontální přenos genů, jakmile je to dostatečně komplikované. Když tento proces simulujeme, v podstatě se sám vypne. Jsou prováděny pokusy o horizontální přenos genů, ale téměř nic nezakoření. Jediným dominantním evolučním mechanismem je pak vertikální evoluce, která byla vždy přítomna. Nyní se pokoušíme provádět experimenty, abychom zjistili, zda jádro úplně přešlo z horizontálního na vertikální přenos.
Je to kvůli tomuto přístupu k rané evoluci, že jste řekl, že bychom měli mluvit o biologii jinak?
Lidé mají tendenci myslet na evoluci jako na synonymum populační genetiky. Myslím, že je to v zásadě správné. Ale ne opravdu. Evoluce proběhla ještě před existencí genů, což nelze vysvětlit statistickými modely populační genetiky. Existují kolektivní způsoby evoluce, které je také třeba brát vážně (například procesy jako horizontální přenos genů).
V tomto smyslu je naše chápání evoluce jako procesu příliš úzké. Musíme přemýšlet o dynamických systémech a o tom, jak je možné, že systémy schopné vývoje a reprodukce jsou vůbec schopné existovat. Když přemýšlíte o fyzickém světě, není zřejmé, proč prostě neděláte více mrtvých věcí.
Proč má planeta schopnost podporovat život? Proč život vůbec existuje? Dynamika evoluce by měla být schopna tento problém vyřešit. Je pozoruhodné, že nemáme ani představu o tom, jak tento problém vyřešit. A vzhledem k tomu, že život začal jako něco fyzického, nikoli biologického, projevuje fyzický zájem.
Jak vaše práce na sinicích zapadá do aplikace teorie kondenzovaných látek?
- Se svým postgraduálním studentem Hong-Yang Shim jsme modelovali ekosystém organismu zvaného Prochlorococcus, cyanobakterie, která žije v oceánu a používá fotosyntézu. Myslím, že tento organismus může být nejhojnějším buněčným organismem na planetě.
Existují viry, „fágy“, které živí bakterie. Před deseti lety vědci zjistili, že tyto fágy mají také geny pro fotosyntézu. O viru obvykle nemyslíte jako o člověku, který potřebuje fotosyntézu. Tak proč nesou tyto geny?
"Zdá se, že se bakterie a fágy nechovají přesně jako model predátorské kořisti." Bakterie prospívají fágům. Ve skutečnosti by bakterie mohly zabránit fágům, aby na ně útočily různými způsoby, ale ne, alespoň ne úplně. Fágové fotosyntetické geny původně pocházely z bakterií - a překvapivě je pak fágy přenesly zpět na bakterie. Během posledních 150 milionů let se geny pro fotosyntézu několikrát přesunuly mezi bakteriemi a fágy.
Ukazuje se, že geny se u virů vyvíjejí mnohem rychleji než u bakterií, protože proces replikace virů je mnohem kratší a pravděpodobnější k chybám (replikace je proces syntézy dceřiné molekuly deoxyribonukleové kyseliny na šabloně mateřské molekuly DNA - už ne).
Jako vedlejší účinek fágového lovu na bakterie se bakteriální geny někdy přenášejí na viry, kde se mohou šířit, rychle rozvíjet a poté se vracet k bakteriím, které z toho mohou těžit. Proto byly fágy prospěšné pro bakterie. Například existují dva kmeny Prochlorococcus, které žijí v různých hloubkách. Jeden z těchto ekotypů je uzpůsoben k tomu, aby žil blíže k povrchu, kde je světlo mnohem intenzivnější a rozdíl v jeho frekvencích je větší. Tato adaptace může být způsobena tím, že se viry rychle vyvinuly.
Viry také těží z genů. Když virus infikuje hostitele a replikuje se sám, počet nových virů, které vytvoří, závisí na tom, jak dlouho může zachycená buňka přežít. Pokud virus nese systém podpory života (geny pro fotosyntézu), může udržet buňku delší, aby vytvořil další kopie viru.
Virus, který nese geny pro fotosyntézu, má oproti viru, který ho nemá, konkurenční výhodu. Existuje virový tlak na viry k přenosu genů, z nichž má prospěch hostitel. Očekávali byste, že protože viry tak rychle mutují, jejich geny se rychle „degradují“. Na základě výpočtů jsme však zjistili, že bakterie filtrují „dobré“geny a přenášejí je na viry.
Proto je to roztomilý příběh: interakce těchto bakterií a virů se podobá chování látky v kondenzovaném stavu - tento systém lze modelovat tak, aby předpovídal jeho vlastnosti.
Mluvili jsme o fyzickém přístupu k biologii. Viděli jste opak, když fyzika inspirovala biologie?
- Ano. Pracuji na turbulenci. Když se vrátím domů, je to ona, kdo mě udržuje vzhůru v noci. V článku publikovaném minulý rok v Nature Physics, Hong-Yan Shin, Tsung-Ling Sheng a já jsme chtěli podrobně vysvětlit, jak tekutina v potrubí přechází z plastového stavu, kde plyne hladce a předvídatelně, do stavu turbulence, kde je jeho chování nepředvídatelné. a špatně.
Zjistili jsme, že před přechodem se turbulence chová jako ekosystém. Existuje zvláštní dynamický režim proudění tekutin, podobný dravci: snaží se „pohltit“turbulenci a interakce mezi tímto režimem a výslednou turbulencí vede k některým jevům, které vidíte, když se tekutina stane turbulentní.
Naše práce nakonec předpokládá, že v kapalinách dochází k určitému typu fázového přechodu, a to potvrzují experimenty. Protože se ukázalo, že problém fyziky je vhodný pro řešení tohoto biologického problému - o vztahu dravce a kořisti -, Hong-Yan a já jsme věděli, jak napodobit a simulovat systém a reprodukovat to, co lidé vidí v experimentech. Znalost biologie nám opravdu pomohla pochopit fyziku.
Existují nějaká omezení pro fyzický přístup k biologii?
- Existuje nebezpečí opakování pouze toho, co je známo, takže nemůžete vytvářet žádné nové předpovědi. Ale někdy se vaše abstrakce nebo minimální reprezentace zjednoduší a během procesu něco ztratíte.
Teoreticky nemůžete myslet. Měli byste si sbalit rukávy, abyste mohli studovat biologii, být úzce spojeni se skutečnými experimentálními jevy a skutečnými daty.
Proto je naše práce prováděna ve spolupráci s experimentátory: společně se svými kolegy jsem sbíral mikroby z horkých pramenů v Yellowstonském národním parku, sledoval "skákající" geny v živých buňkách v reálném čase, sekvenoval (sekvenoval - určoval aminokyselinovou nebo nukleotidovou sekvenci - přibližně nový) gastrointestinální - střevní mikrobiom obratlovců. Každý den pracuji v Ústavu genomické biologie, i když fyzika je moje „nativní“pole.
Jordana Cepelewicz
Překlad byl proveden v rámci projektu New