Füüsik Nigel Goldenfeld vihkab bioloogiat: "Vähemalt mitte sellisel kujul, nagu mulle seda koolis õpetati," ütleb ta. “See oli nagu rabisev faktide kogum. Täpset kvantitatiivset analüüsi praktiliselt ei olnud. " See suhtumine võib üllatada kõiki, kes vaatavad läbi paljusid projekte, mille kallal Goldenfeldi labor töötab.
Tema ja ta kolleegid jälgivad mesilaste ühist ja individuaalset käitumist, analüüsivad biokilesid, jälgivad hüppeid tekitavaid geene, hindavad ökosüsteemide eluvormide mitmekesisust ja uurivad mikrobioomide suhet.
Goldenfeld on NASA üldbioloogia astrobioloogia instituudi juht, kuid ta ei veeda enamuse ajast Illinoisi ülikooli füüsikaosakonnas, vaid oma bioloogilises laboris Urbana-Champaign'i ülikoolilinnas.
Nigel Goldenfeld pole ainus füüsik, kes üritab bioloogia probleeme lahendada. 1930. aastatel muutis Max Delbrück viiruste mõistet. Hiljem avaldas Erwin Schrödinger Mis on elu? Elava raku füüsiline külg”. Röntgenkristallograafia teerajaja Francis Crick aitas paljastada DNA struktuuri.
Goldenfeld soovib kasu saada oma teadmistest kondenseeritud mateeria teooria kohta. Selle teooria uurimisel simuleerib ta proovi arengut dünaamilises füüsilises süsteemis, et paremini mõista erinevaid nähtusi (turbulents, faasisiirded, geoloogiliste kivimite omadused, finantsturg).
Huvi tekkiva mateeria oleku vastu viis füüsikud bioloogia ühe suurima müsteeriumi juurde - elu enda tekkeni. Just sellest ülesandest arenes tema uurimistöö praegune haru.
"Füüsikud saavad küsimusi esitada erinevalt," on Goldenfeld veendunud. „Minu motivatsioon on alati olnud otsida bioloogiast valdkondi, kus selline lähenemine oleks mõttekas. Kuid edu saavutamiseks peate tegema koostööd bioloogidega ja tegelikult saama ise üheks. Füüsika ja bioloogia on võrdselt vajalikud."
Quanta rääkis Goldenfeldiga kollektiivsetest nähtustest füüsikas ja sünteetilise evolutsiooniteooria laiendamisest. Samuti arutati füüsikaliste kvantitatiivsete ja teoreetiliste vahendite kasutamist Maa varase elu ümbritseva salapära loori tõstmiseks ning sinivetikate ja röövellike viiruste vastastikmõjusid. Järgnev on selle vestluse kokkuvõte.
Reklaamvideo:
Füüsikal on põhimõtteline kontseptuaalne struktuur, bioloogial aga mitte. Kas proovite välja töötada üldist bioloogia teooriat?
Jumal, muidugi mitte. Bioloogias pole ühtset teooriat. Evolutsioon on kõige lähedasem asi, mida sellele tuua saate. Bioloogia ise on evolutsiooni tulemus; elu kogu selle mitmekesisuses ja ilma eranditeta on arenenud evolutsiooni tulemusel. Bioloogia mõistmiseks on vaja evolutsiooni kui protsessi tõelist mõistmist.
Kuidas saavad füüsika kollektiivsed mõjud täiendada meie arusaamu evolutsioonist?
Kui mõelda evolutsioonile, kiputakse tavaliselt mõtlema populatsioonigeneetikale, geenide kordumisele populatsioonis. Kuid kui vaadata viimast universaalset ühist esivanemat (kõigi teiste organismide esivanemat, mida saame fülogeneetika kaudu jälgida), mõistate, et see pole elu alguse päris algus.
Enne seda oli kindlasti olemas veelgi lihtsam eluvorm - vorm, millel polnud isegi geene, kui veel liike polnud. Me teame, et evolutsioon on palju laiem nähtus kui populatsioonigeneetika.
Viimane universaalne ühine esivanem elas 3,8 miljardit aastat tagasi. Planeet Maa on 4,6 miljardit aastat vana. Elu ise on vähem kui miljard aasta jooksul algusest peale kaasaegse raku keerukusse rännanud. Tõenäoliselt veelgi kiiremini: sellest ajast alates on rakulise struktuuri arengus toimunud suhteliselt vähe arenguid. Selgub, et evolutsioon on viimase 3,5 miljardi aasta jooksul olnud aeglane, kuid alguses väga kiire. Miks on elu nii kiiresti arenenud?
Karl Woese (biofüüsik, suri 2012) ja ma uskusin, et algselt toimus areng teisiti. Meie ajastul areneb elu "vertikaalse" pärimise kaudu: annate oma geenid edasi oma lastele, nemad omakorda oma lastele jne. Geenide horisontaalne ülekandmine toimub organismide vahel, mis pole omavahel seotud.
Nüüd toimub see bakterites ja teistes organismides, mille geenid pole raku struktuuris eriti olulised. Näiteks geenid, mis annavad resistentsuse antibiootikumide suhtes - tänu neile omandavad bakterid nii kiiresti ravimite eest kaitse. Elu varastes faasides edastati isegi raku põhimehhanism horisontaalselt.
Varem oli elu kumulatiivne olek ja oli pigem geenivahetusega tihedalt seotud kogukond kui lihtsalt üksikute vormide kogum. Kollektiivsetest riikidest on palju muid näiteid, näiteks mesilaspere või linnukari, kus kollektiivil näib olevat oma isikupära ja käitumine, mis tuleneb elementidest ja viisidest, kuidas nad suhtlevad. Varasest elust teatati geeniülekande kaudu.
Kuidas sa tead?
"Nii kiiret ja optimaalset elu arengut saame seletada ainult siis, kui lubame selle" varase võrgustiku "ja mitte [sugupuu] mõju. Umbes 10 aastat tagasi avastasime, et see teooria kehtib geneetilise koodi ja reeglite kohta, mis ütlevad rakule, milliseid aminohappeid valgu valmistamiseks kasutada. Igal planeedi organismil on sama geneetiline kood, minimaalsete erinevustega.
1960ndatel jõudis Karl esimesena ideeni, et meie valduses olev geneetiline kood on vigade minimeerimiseks võimalikult hea. Isegi kui saate mutatsiooni või raku transpordimehhanismi vea tõttu vale aminohappe, määrab geneetiline kood täpselt aminohappe, mida peaksite saama. Niisiis, teil on endiselt võimalus, et toodetav valk toimib ja keha ei sure.
David Haig (Harvard) ja Lawrence Hirst (Bathi ülikool) demonstreerisid esimestena, et seda ideed saab kvalitatiivselt hinnata Monte Carlo meetodi abil: nad püüdsid välja selgitada, kelle geneetiline kood on seda tüüpi vigadele kõige vastupidavam. Ja me ise saime vastuseks. See on tõesti jahmatav avastus, kuid mitte nii laialt levinud kui peaks.
Hiljem tegime Karl ja mina koos Kalin Vestigianiga (Wisconsini ülikool Madisonis) paljude kunstlike, hüpoteetiliste geneetiliste koodidega organismirühmade virtuaalseid simulatsioone. Lõime arvutiviiruse mudeleid, mis jäljendasid elusüsteeme: neil oli genoom, ekspresseeritud valgud, nad said ise paljuneda, selektsiooni üle elada ja nende kohanemisvõime oli nende enda valkude funktsioon.
Leidsime, et mitte ainult nende genoomid ei arenenud. Ka nende geneetiline aasta kujunes välja. Kui tegemist on vertikaalse evolutsiooniga (põlvkondade vahel), ei muutu geneetiline kood kunagi ainulaadseks ega optimaalseks. Kuid kui rääkida "kollektiivse võrgustiku" efektist, siis geneetiline kood areneb kiiresti ainulaadseks optimaalseks seisundiks, mida me täna jälgime.
Need leiud ja küsimused, kuidas elu oleks võinud need geneetilised koodid nii kiiresti omandada, viitavad sellele, et horisontaalse geeniülekande märke peaksime nägema varem kui näiteks viimases universaalses ühises esivanemas. Ja me näeme neid: mõned ensüümid, mis on seotud raku translatsiooni ja geeniekspressiooni peamise mehhanismiga, näitavad tugevaid tõendeid varase horisontaalse geeniülekande kohta.
Kuidas saaksite neile järeldustele tugineda?
- Tommaso Biancalani ja mina (nüüd MIT-is) viisime umbes aasta tagasi läbi uuringu - meie kohta avaldati meie artikkel -, et elu lülitab horisontaalse geeniülekande automaatselt välja kohe, kui see on piisavalt keerukaks muutunud. Kui me seda protsessi simuleerime, lülitub see põhimõtteliselt iseenesest välja. Geeniülekannet üritatakse teha horisontaalselt, kuid peaaegu midagi ei juurdu. Siis on ainus domineeriv evolutsioonimehhanism vertikaalne evolutsioon, mis on alati olnud olemas. Nüüd proovime teha katseid, et näha, kas kernel on horisontaaltasandilt vertikaalsele ülekandele täielikult ülemineku teinud.
Kas selle varase evolutsiooni lähenemise tõttu ütlesite, et me peaksime bioloogiast rääkima teisiti?
Inimesed kipuvad arvama, et evolutsioon on populatsioonigeneetika sünonüüm. Minu arvates on see põhimõtteliselt õige. Aga tegelikult mitte. Evolutsioon toimus juba enne geenide olemasolu ja seda ei saa seletada populatsioonigeneetika statistiliste mudelitega. On olemas evolutsiooni kollektiivseid viise, mida tuleb samuti tõsiselt võtta (näiteks sellised protsessid nagu horisontaalne geeniülekanne).
Just selles mõttes on meie arusaam evolutsioonist kui protsessist liiga kitsas. Peame mõtlema dünaamiliste süsteemide üle ja kuidas on võimalik, et arendus- ja taasesitusvõimelised süsteemid on üldse võimelised eksisteerima. Füüsilise maailma peale mõeldes pole ilmne, miks sa lihtsalt rohkem surnud asju ei tee.
Miks on planeedil võime elu toetada? Miks elu üldse eksisteerib? Evolutsiooni dünaamika peaks selle probleemi lahendama. On tähelepanuväärne, et meil pole isegi ideed selle probleemi lahendamiseks. Ja arvestades, et elu algas millekski füüsiliseks, mitte bioloogiliseks, väljendab ta füüsilist huvi.
Kuidas sobib teie sinivetika teemaline töö kondenseerunud aine teooria rakendamiseks?
- Minu abiturient Hong-Yang Shi ja mina modelleerisime ookeanis elava ja fotosünteesi kasutava sinivetika Prochlorococcus nimega organismi ökosüsteemi. Ma arvan, et see organism võib olla kõige arvukam rakuline organism planeedil.
Seal on viirused, "faagid", mis röövivad baktereid. Kümmekond aastat tagasi avastasid teadlased, et neil faagidel on ka fotosünteesi geenid. Tavaliselt ei mõtle sa viirusele kui kellelegi, kes vajab fotosünteesi. Miks nad siis neid geene kannavad?
“Näib, et bakterid ja faagid ei käitu täpselt nagu röövloomade-saagimudelid. Bakterid on kasulikud faagidele. Tegelikult võiksid bakterid takistada faagidel neid erineval viisil ründamast, kuid nad ei tee seda, vähemalt mitte täielikult. Faagide fotosünteetilised geenid pärinesid algselt bakteritest - ja üllatuslikult kandsid faagid need seejärel tagasi bakteritesse. Viimase 150 miljoni aasta jooksul on fotosünteesi geenid bakterite ja faagide vahel mitu korda liikunud.
Selgub, et geenid arenevad viirustes palju kiiremini kui bakterites, kuna viiruste replikatsiooniprotsess on palju lühem ja suurema tõenäosusega teeb vigu (replikatsioon on desoksüribonukleiinhappe tütarmolekuli sünteesiprotsess lähte-DNA molekuli matriitsil - mitte enam).
Bakterite faagijahi kõrvalmõjuna kanduvad bakteriaalsed geenid mõnikord üle viirustesse, kus need võivad levida, kiiresti areneda ja seejärel naasta bakteritesse, millest siis on kasu. Seetõttu olid faagid bakteritele kasulikud. Näiteks on kaks Proklorakoki tüve, mis elavad erineva sügavusega. Üks neist ökotüüpidest on kohandatud elama pinnale lähemal, kus valgus on palju intensiivsem ja erinevus selle sagedustes on suurem. See kohanemine võib olla tingitud asjaolust, et viirused on kiiresti arenenud.
Viirused saavad kasu ka geenidest. Kui viirus nakatab peremeesorganismi ja paljuneb ise, sõltub sellest tekkivate uute viiruste arv sellest, kui kaua suudab hõivatud rakk ellu jääda. Kui viirus kannab elu toetavat süsteemi (fotosünteesi geenid), võib see viirust rohkem koopiate tegemiseks raku kauem hoida.
Viirusel, mis kannab fotosünteesi geene, on konkurentsieelis viiruse ees, millel seda pole. Peremeeskonnale kasulike geenide ülekandmiseks on viirustele aretussurve. Võite arvata, et kuna viirused muteeruvad nii kiiresti, siis nende geenid "lagunevad" kiiresti. Kuid arvutuste tulemusel leidsime, et bakterid filtreerivad "häid" geene ja edastavad need viirustele.
Seetõttu on see armas lugu: nende bakterite ja viiruste koostoime sarnaneb aine käitumisega kondenseerunud olekus - seda süsteemi saab selle omaduste ennustamiseks modelleerida.
Rääkisime bioloogilisest lähenemisviisist. Kas olete näinud vastupidist, kui bioloogia inspireeris füüsikat?
- Jah. Ma töötan turbulentsi kallal. Kui ma koju tagasi lähen, hoiab ta mind öösel ärkvel. Eelmisel aastal ajakirjas Nature Physics ilmunud artiklis avaldasid Hong-Yan Shin, Tsung-Lin Sheng ja tahtsin üksikasjalikult selgitada, kuidas torus olev vedelik läheb plastikust olekust, kus see voolab sujuvalt ja etteaimatavalt, turbulentsi seisundisse, kus tema käitumine on ettearvamatu. ja vale.
Leidsime, et enne üleminekut käitub turbulents nagu ökosüsteem. Vedeliku voolavuse jaoks on olemas spetsiaalne dünaamiline režiim, mis sarnaneb kiskjaga: see üritab turbulentsi "süüa" ning selle režiimi ja sellest tuleneva turbulentsi vastastikmõju viib mõnede nähtusteni, mida näete, kui vedelik muutub turbulentseks.
Lõppkokkuvõttes eeldab meie töö, et vedelikes toimub teatud tüüpi faasiüleminek ja seda eksperimendid kinnitavad. Kuna füüsikaprobleem osutus selle bioloogilise probleemi lahendamiseks sobivaks - kiskja ja röövlooma suhte kohta -, teadsime koos Hong-Yaniga, kuidas süsteemi jäljendada ja simuleerida ning taasesitada seda, mida inimesed katsetes näevad. Bioloogia tundmine aitas meil füüsikat mõista.
Kas bioloogilisel lähenemisel on mingeid piiranguid?
- On oht korrata ainult teadaolevat, nii et te ei saa uusi ennustusi teha. Kuid mõnikord lihtsustub teie abstraktsioon või minimaalne esindatus ja te kaotate selle käigus midagi.
Liiga teoreetiliselt ei saa mõelda. Bioloogia õppimiseks peaksite oma varrukad kokku keerama, olema tihedalt seotud reaalsete eksperimentaalsete nähtuste ja reaalsete andmetega.
Sellepärast tehakse meie tööd koostöös eksperimenteerijatega: kogusin koos kolleegidega Yellowstone'i rahvuspargi kuumaveeallikatest mikroobid, jälgisin reaalajas elusate rakkude hüppelisi geene, järjestatud (sekveneerimine - aminohappe või nukleotiidi järjestuse määramine - u. - selgroogsete soolestiku mikrobioom. Töötan iga päev genoomibioloogia instituudis, ehkki füüsika on minu "emakeel".
Jordana Cepelewicz
Tõlke viis läbi projekt Uus
