Nigel Goldenfeld fizikus gyűlöli a biológiát: „Legalább nem abban a formában, amelyben az iskolában tanítottam” - mondja. „Olyan volt, mint egy nyugtalanító tények. Gyakorlatilag nem volt pontos mennyiségi elemzés. Ez a hozzáállás meglephet bárkit, aki a Goldenfeld laboratóriumának sok projektén dolgozik.
Kollégáival figyeli a mézelő méhek kollektív és egyéni viselkedését, elemzi a biofilmeket, megfigyeli a gének ugrását, felméri az ökoszisztémák életformáinak sokféleségét, és feltárja a mikrobiomák kapcsolatát.
Goldenfeld a NASA Általános Biológiai Asztrobiológiai Intézetének vezetője, ám idejének nagy részét nem az Illinoisi Egyetem fizikai osztályán töltötte, hanem biológiai laboratóriumában az Urbana-Champaign campusán.
Nigel Goldenfeld nem az egyetlen fizikus, aki megpróbálja megoldani a biológiai problémákat. Az 1930-as években Max Delbrück megváltoztatta a vírus fogalmát. Később Erwin Schrödinger megjelent a Mi az élet? Az élő sejt fizikai aspektusa”. Francis Crick, a röntgenkrisztallográfia úttörője segített feltárni a DNS szerkezetét.
Goldenfeld ki akarja használni a kondenzált anyag elméletének ismereteit. Ennek az elméletnek a tanulmányozásával szimulálja a minta fejlődését egy dinamikus fizikai rendszerben, annak érdekében, hogy jobban megértse a különféle jelenségeket (turbulencia, fázisátmenetek, geológiai kőzetek jellemzői, a pénzügyi piac).
Az anyag kialakulása iránti érdeklődés a fizikusokat a biológia egyik legnagyobb rejtélyéhez vezette - maga az élet eredete. Ebből a feladatból alakult ki kutatásának jelenlegi ága.
"A fizikusok másképp tehetnek fel kérdéseket" - meggyőződve Goldenfeld. „Mindig az volt a motivációm, hogy a biológiában olyan területeket keressek, ahol ilyen megközelítésnek van értelme. De a sikerhez együtt kell dolgoznia a biológusokkal, és valójában önmagá kell válni. A fizikára és a biológiára is szükség van."
Quanta beszélt Goldenfelddel a fizika kollektív jelenségeiről és az evolúció szintetikus elméletének kibővítéséről. Megvitatták továbbá a fizikai kvantitatív és elméleti eszközök használatát a Föld korai életét körülvevő rejtély fátyla felemelésére, valamint a cianobaktériumok és a ragadozó vírusok közötti kölcsönhatásokat. Az alábbiakban összefoglaljuk a beszélgetést.
Promóciós videó:
A fizika alapvető fogalmi felépítésű, míg a biológia nem. Megpróbál kidolgozni egy általános biológiai elméletet?
Istenem, természetesen nem. A biológiában nincs egyetlen elmélet. Az evolúció a legközelebbi dolog, amit hozhat. Maga a biológia az evolúció eredménye; az élet teljes változatosságában és kivétel nélkül az evolúció eredményeként alakult ki. A biológia megértéséhez meg kell érteni az evolúciót mint folyamatot.
Hogyan lehet a fizika kollektív hatása kiegészíteni az evolúció megértését?
Az evolúcióra gondolva általában hajlamos a populációgenetikára, a gének ismétlésére a populációban. De ha megnézi az Utolsó Univerzális ősöket (az összes többi szervezet ősi organizmusát, amelyet a filogenetika útján tudunk nyomon követni), meg fogja érteni, hogy ez nem az élet eredete.
Ezt megelőzően határozottan létezett egy még egyszerűbb életforma - olyan forma, amelyben még akkor sem voltak gének, amikor még nem voltak fajok. Tudjuk, hogy az evolúció sokkal szélesebb jelenség, mint a populációgenetika.
Az utolsó egyetemes őse 3,8 milliárd évvel ezelőtt élt. A Föld bolygó 4,6 milliárd éves. Maga az élet a kezdetektől a modern sejt összetettségéig kevesebb, mint egymilliárd év alatt eljutott. Valószínűleg még gyorsabban: azóta viszonylag kevés fejlemény történt a sejtszerkezet fejlődésében. Kiderült, hogy az evolúció lassú volt az elmúlt 3,5 milliárd év alatt, de az elején nagyon gyors. Miért fejlődött olyan gyorsan az élet?
Karl Woese (biofizikus, 2012-ben halt meg) és azt hittem, hogy a fejlesztés kezdetben másképpen zajlott. Korunkban az élet "vertikális" öröklésen keresztül fejlődik: átadja a géneit gyermekeinek, ők pedig viszont gyermekeiknek stb. A gének "vízszintes" átvitelét az egymással nem kapcsolatban álló szervezetek között hajtják végre.
Ez most történik baktériumokban és más szervezetekben, olyan génekkel, amelyek nem nagyon fontosak a sejt szerkezetében. Például az antibiotikumokkal szemben ellenálló gének - ezeknek köszönhetően a baktériumok olyan gyorsan megvédik a drogokat. Az élet korai szakaszában azonban a sejt alapvető mechanizmusát is vízszintesen továbbították.
Korábban az élet összesített állapot volt, és inkább egy géncserével szorosan kötődő közösség volt, nem csupán az egyedi formák gyűjteménye. Számos más példa is létezik a kollektív államokra, például méhek kolóniájára vagy madárnyájra, ahol a csoportnak látszik saját személyisége és viselkedése, amely kölcsönhatásuk elemeiből és módjaiból fakad. A korai életről a génátadás révén kommunikáltak.
Honnan tudod?
„Az élet ilyen gyors és optimális fejlődését csak akkor magyarázhatjuk meg, ha megengedjük ennek a„ korai hálózatnak”a hatását, és nem a [család] faját. Körülbelül 10 évvel ezelőtt felfedeztük, hogy ez az elmélet vonatkozik a genetikai kódra, a szabályokra, amelyek meghatározzák a sejtnek, mely aminosavakat kell használni a fehérje előállításához. A bolygó minden organizmusának azonos genetikai kódja van, minimális különbségekkel.
Az 1960-as években Karl volt az első, aki felismerte azt a gondolatot, hogy a birtokunkban lévő genetikai kód a hibák minimalizálása érdekében a lehető legjobb. Még ha a mutáció vagy a sejtszállítás mechanizmusának hibája miatt is rossz aminosavat kap, a genetikai kód pontosan meghatározza a kapott aminosavat. Tehát továbbra is van esélye, hogy a termelt fehérje működni fog, és a test nem fog meghalni.
David Haig (Harvard) és Lawrence Hirst (a Bathi Egyetem) voltak az elsők, akik bebizonyították, hogy ez az ötlet kvalitatív módon értékelhető a Monte Carlo módszerrel: megpróbálták kideríteni, kinek a genetikai kódja a leginkább ellenálló az ilyen jellegű hibákkal szemben. És mi magunk is a válasz. Ez valóban megdöbbentő felfedezés, de nem olyan széles körben elterjedt, mint kellene.
Később Karl és én, Kalin Vestigian-nal (a Wisconsini Egyetem, Madison) együtt, sok mesterséges, hipotetikus genetikai kóddal rendelkező organizmuscsoportok virtuális szimulációját végeztük. Készítettünk olyan számítógépes vírusmodelleket, amelyek utánozták az élő rendszereket: rendelkeznek genommal, expresszált fehérjékkel, képesek voltak replikálni magukat, túlélni a szelekciót, és alkalmazkodóképességük saját fehérjéinek függvénye volt.
Megállapítottuk, hogy nem csak a genomok fejlődtek ki. Génévük is fejlődött. A vertikális evolúcióról (nemzedékek között) a genetikai kód soha nem válik egyedivé vagy optimálisá. De amikor a „kollektív hálózat” effektusról van szó, akkor a genetikai kód gyorsan fejlődik az egyedülálló optimális állapotba, amelyet ma megfigyelünk.
Ezek az eredmények és azok a kérdések, amelyek szerint az élet ilyen gyorsan megszerezhette ezeket a genetikai kódokat, arra utalnak, hogy a horizontális génátadás jeleit korábban kellene látnunk, mint például az Utolsó Egyetemes Általános ősnél. És látjuk őket: a sejttranszláció és a gén expresszió fő mechanizmusához kapcsolódó enzimek egyértelmű bizonyítékot mutatnak a korai horizontális génátvitelre.
Hogyan támaszkodhatott ezekre a következtetésekre?
- Tommaso Biancalani és én (jelenleg a MIT-nél) körülbelül egy évvel ezelőtt tanulmányt készítettünk - rólam írtunk cikkünket -, hogy az élet automatikusan kikapcsolja a vízszintes génátadást, mihelyt elég bonyolultvá vált. Amikor ezt a folyamatot szimuláljuk, alapvetően önmagában leáll. Megkíséreljük vízszintes génátvitelt végrehajtani, de szinte semmi sem gyökerezik. Ekkor az egyetlen domináns evolúciós mechanizmus a vertikális evolúció, amely mindig is jelen volt. Most próbálunk kísérleteket végezni, hogy megvizsgáljuk, vajon a kernel teljes mértékben áttér-e a vízszintes és a függőleges átvitelre.
A korai evolúció ilyen megközelítése miatt mondtad, hogy másképp kell beszélnünk a biológiáról?
Az emberek általában úgy gondolják, hogy az evolúció a népesség genetikájának szinonimája. Szerintem ez elvileg helyes. De nem igazán. Az evolúció már a gének létezése előtt megtörtént, és ez nem magyarázható a populációgenetika statisztikai modelljeivel. Vannak evolúció kollektív módjai, amelyeket szintén komolyan kell venni (például olyan folyamatok, mint a horizontális génátadás).
Ebben az értelemben az evolúció mint folyamat értelmezése túl szűk. Gondolnunk kell a dinamikus rendszerekre és arra, hogyan lehetséges, hogy a fejlesztésre és reprodukcióra képes rendszerek egyáltalán létezzenek. A fizikai világra gondolva nem egyértelmű, hogy miért nem csinálsz több halott dolgot.
Miért képes a bolygó az élet támogatására? Miért létezik még az élet? Az evolúció dinamikájának képesnek kell lennie arra, hogy megoldja ezt a kérdést. Figyelemre méltó, hogy még fogalmunk sincs arról, hogyan lehet ezt a problémát megoldani. És mivel az élet fizikai, és nem biológiai szempontból kezdődött, fizikai érdeklődését fejezi ki.
Hogyan illeszkedik a cianobaktériumokkal kapcsolatos munkája a kondenzált anyag elméletéhez?
- A végzős hallgatóm, Hong-Yang Shi és én modelleztük a Prochlorococcus nevű szervezet ökoszisztémáját, az óceánban élő cianobaktériumot, amely fotoszintézist alkalmaz. Úgy gondolom, hogy ez a szervezet lehet a leggyakoribb sejtes szervezet a bolygón.
Vannak olyan vírusok, "fágok", amelyek baktériumokat ragadoznak. Egy évtizeddel ezelőtt a tudósok felfedezték, hogy ezekben a fágokban is vannak gének a fotoszintézishez. Általában nem gondolsz olyan vírusra, mint aki fotoszintézisre szorul. Akkor miért hordozzák ezeket a géneket?
„Úgy tűnik, hogy a baktériumok és a fágok nem viselkednek pontosan úgy, mint egy ragadozó-zsákmány modell. A baktériumok hasznosak a fágok számára. Valójában a baktériumok megakadályozhatják, hogy a fágok különféle módon támadjanak meg őket, ám legalábbis nem teljesen. A fág fotoszintézis-gének eredetileg baktériumokból származtak - és meglepő módon a fágok ezt követően visszajuttatják a baktériumokhoz. Az elmúlt 150 millió évben a fotoszintézis gének többször mozogtak a baktériumok és a fágok között.
Kiderül, hogy a gének sokkal gyorsabban fejlődnek a vírusokban, mint a baktériumokban, mivel a vírusok replikációs folyamata sokkal rövidebb, és valószínűleg hibákat okoznak (a replikáció a dezoxiribonukleinsav leánymolekulájának a szülő DNS molekula templátján történő szintetizálásának folyamata - nem több).
A baktériumok fágvadászatának mellékhatásaként a bakteriális géneket időnként vírusokká alakítják át, ahol terjedhetnek, gyorsan fejlődhetnek, majd visszatérhetnek a baktériumokba, amelyeknek előnye származhat. Ezért a fágok jók voltak a baktériumok számára. Például két Prochlorococcus törzs létezik, amelyek különböző mélységekben élnek. Ezeknek az ökotípusoknak az egyikét úgy alakították ki, hogy közelebb éljenek a felülethez, ahol a fény sokkal intenzívebb, és frekvenciáinak különbsége nagyobb. Ez az alkalmazkodás annak a ténynek tudható be, hogy a vírusok gyorsan fejlődtek.
A vírusok is részesülnek a gének előnyeiből. Amikor egy vírus megfertőzi a gazdagépet és replikálódik, akkor az általa létrehozott új vírusok száma attól függ, hogy a rögzített sejt mennyire képes túlélni. Ha a vírus hordozza az életet támogató rendszert (a fotoszintézis génei), akkor hosszabb ideig képes megőrizni a sejtet, hogy a vírusból több példányt készítsen.
A vírus, amely a fotoszintézis céljára géneket hordoz, versenyelőnyvel rendelkezik, szemben a nem. Tenyésznyomás van a vírusokon a gazda számára előnyös gének átvitelére. Arra számíthat, hogy mivel a vírusok olyan gyorsan mutálnak, géneik gyorsan "lebomlanak". A számítások eredményeként azonban azt tapasztaltuk, hogy a baktériumok kiszűrik a "jó" géneket és átterjesztik vírusokra.
Ezért ez egy aranyos történet: ezeknek a baktériumoknak és a vírusoknak a kölcsönhatása hasonlít egy anyag viselkedésére sűrített állapotban - ez a rendszer modellezhető annak tulajdonságainak előrejelzésére.
Beszéltünk a biológia fizikai megközelítéséről. Látta az ellenkezőjét, amikor a biológia ihlette a fizikát?
- Igen. Turbulencián dolgozom. Amikor hazatérek, ő az, aki éjjel ébren tart. Egy, a természetfizikában tavaly megjelent cikkben, Hong-Yan Shin, Tsung-Lin Sheng, és részletesen el akartam magyarázni, hogy egy csőben lévő folyadék miként alakul át egy műanyag állapotból, ahol simán és kiszámíthatóan áramlik, egy turbulencia állapotba, ahol viselkedése kiszámíthatatlan. és rossz.
Megállapítottuk, hogy az átmenet előtt a turbulencia úgy viselkedik, mint egy ökoszisztéma. Van egy speciális dinamikus folyadékáramlási mód, hasonlóan a ragadozóhoz: megpróbálja "enni" turbulenciát, és a rezsim és az ebből adódó turbulencia közötti kölcsönhatás néhány olyan jelenséghez vezet, amelyet lát, amikor a folyadék turbulens.
Végül a munkánk feltételezi, hogy folyadékokban bizonyos típusú fázistranszfer történik, és ezt erősítik meg a kísérletek. Mivel a fizika problémája megfelelőnek bizonyult e biológiai probléma megoldására - a ragadozó és a ragadozó kapcsolatáról - Hong-Yan és én tudtam, hogyan kell utánozni és szimulálni egy rendszert, és reprodukálni azt, amit az emberek látnak a kísérletekben. A biológia ismerete tényleg segített megérteni a fizikát.
Van-e korlátozás a biológia fizikai megközelítésében?
- Fennáll annak a veszélye, hogy csak az ismertt megismételjük, ezért nem tehetünk új előrejelzéseket. De néha egyszerűsödik az absztrakció vagy a minimális képviselet, és elveszít valamit a folyamat során.
Nem gondolhat túl elméletileg. Tegye fel a hüvelyét, hogy tanulmányozza a biológiát, szorosan kapcsolódjon a valós kísérleti jelenségekhez és a valós adatokhoz.
Ezért végezzük munkánkat kísérletezőkkel együtt: kollégáimmal összegyűjtöttük a Yellowstone Nemzeti Park forró forrásaiból mikrobákat, figyeltem az élő sejtekben ugráló géneket valós időben, szekvenáltam (szekvenálás - az aminosav vagy nukleotid szekvencia meghatározása - kb. - gerincesek bél mikrobiomája. Minden nap a Genombiológiai Intézetben dolgozom, bár a fizika az én "anyanyelvi" szakmom.
Jordana Cepelewicz
A fordítást az Új projekt hajtotta végre