Физикът Найджъл Голдфелд ненавижда биологията: „Поне не във формата, в която съм го учил в училище“, казва той. „Беше като разтърсващ набор от факти. На практика нямаше точен количествен анализ. Това отношение може да изненада всеки, който разгледа многото проекти в лабораторията на Голдфелд.
Той и неговите колеги наблюдават колективното и индивидуалното поведение на пчелите, анализират биофилмите, наблюдават скачането на гените, оценяват разнообразието от форми на живот в екосистемите и изследват връзката на микробиомите.
Голдфелд е ръководител на Института по астробиология на НАСА по обща биология, но той не прекарва по-голямата част от времето си в катедрата по физика в Университета на Илинойс, а в биологичната си лаборатория в кампуса в Урбана-Шампейн.
Найджъл Голдфелд не е единственият физик, който се опитва да реши проблемите в биологията. През 30-те години Макс Делбрюк промени концепцията за вирусите. По-късно Ервин Шрьодингер публикува Какво е животът? Физическият аспект на жива клетка”. Франсис Крик, пионер в рентгеновата кристалография, помогна за разкриването на структурата на ДНК.
Голдфелд иска да се възползва от познанията си по теория на кондензираната материя. Когато изучава тази теория, той моделира развитието на извадка в динамична физическа система, за да разбере по-добре различни явления (турбулентност, фазови преходи, особености на геологичните скали, финансовия пазар).
Интересът към нововъзникващото състояние на материята доведе физиците до една от най-големите мистерии на биологията - произхода на самия живот. Именно от тази задача се разви настоящият клон на неговите изследвания.
"Физиците могат да задават въпроси по различен начин", убеден е Голдфелд. „Мотивацията ми винаги е била да търся в биологията области, където такъв подход би имал смисъл. Но за да успеете, трябва да работите с биолози и всъщност сами да станете такъв. Физиката и биологията са еднакво необходими."
Куанта говори с Голдфелд за колективните явления във физиката и разширяването на синтетичната теория на еволюцията. Те също така обсъдиха използването на количествени и теоретични инструменти от физиката за повдигане на завесата на мистерията, която заобикаля ранния живот на Земята, и взаимодействията между цианобактериите и хищните вируси. По-долу е обобщение на този разговор.
Промоционално видео:
Физиката има основна концептуална структура, докато биологията няма. Опитвате ли се да разработите обща теория на биологията?
„Бог, разбира се, че не. В биологията няма единна теория. Еволюцията е най-близкото нещо, което можете да донесете до нея. Самата биология е резултат от еволюцията; животът в цялото му многообразие и без изключение се е развил в резултат на еволюцията. Необходимо е наистина да се разбере еволюцията като процес, за да се разбере биологията.
Как колективните ефекти от областта на физиката могат да допълнят нашето разбиране за еволюцията?
Когато мислите за еволюцията, обикновено сте склонни да мислите за популационна генетика, за повторение на гени в популация. Но ако погледнете Последния универсален общ предшественик (организъм на предците на всички други организми, който можем да проследим чрез филогенетиката), ще разберете, че това не е самото начало на произхода на живота.
Преди това определено имаше още по-опростена форма на живот - форма, която дори не притежаваше гени, когато все още нямаше вид. Знаем, че еволюцията е много по-широко явление от популационната генетика.
Последният универсален общ прародител е живял преди 3,8 милиарда години. Планетата Земя е на 4,6 милиарда години. Самият живот е изминал от създаването до сложността на съвременната клетка за по-малко от милиард години. Вероятно дори по-бързо: оттогава в развитието на клетъчната структура са се случили сравнително малко развитие. Оказва се, че еволюцията е била бавна през последните 3,5 милиарда години, но много бърза в началото. Защо животът се е развил толкова бързо?
Карл Уайз (биофизик, починал 2012 г.) и аз вярвах, че първоначално развитието протича по различен начин. В нашата ера животът се развива чрез „вертикално“наследяване: вие предавате гените си на децата си, те от своя страна на децата си и т.н. "Хоризонталният" трансфер на гени се извършва между организми, които не са свързани помежду си.
Това сега се случва при бактерии и други организми с гени, които не са много важни в клетъчната структура. Например, гени, които дават устойчивост на антибиотици - благодарение на тях бактериите придобиват защита от лекарства толкова бързо. Въпреки това, в ранните фази на живота, дори основният механизъм на клетката се предаваше хоризонтално.
Преди това животът беше кумулативно състояние и беше по-скоро общност, тясно сплетена чрез обмен на гени, отколкото просто колекция от отделни форми. Има много други примери за колективни състояния, като колония от пчели или стадо птици, където колективът изглежда има своя личност и поведение, произтичащи от елементите и начините, по които те взаимодействат. Ранният живот се съобщава чрез трансфер на гени.
Откъде знаеш?
„Можем да обясним такова бързо и оптимално развитие на живота, само ако позволим ефекта на тази„ ранна мрежа “, а не на [семейното] дърво. Преди около 10 години открихме, че тази теория се прилага към генетичния код, към правилата, които казват на клетката кои аминокиселини да използват за производството на протеин. Всеки организъм на планетата има един и същ генетичен код с минимални разлики.
През 60-те години Карл за пръв път излезе с идеята, че генетичният код, който притежаваме, е възможно най-добър, за да се сведат до минимум грешките. Дори ако получите грешна аминокиселина поради мутация или грешка в механизма на клетъчния транспорт, генетичният код ще определи точно аминокиселината, която трябва да получавате. Така че, все още имате шанс протеинът, който произвеждате, да функционира и тялото ви няма да умре.
Дейвид Хейг (Харвард) и Лорънс Хърст (Университет в Бат) бяха първите, които демонстрираха, че тази идея може да бъде качествено оценена чрез метода на Монте Карло: те се опитаха да установят чий генетичен код е най-устойчив на подобни грешки. И ние самите станахме отговор. Това е наистина стряскащо откритие, но не толкова широко, колкото трябва да бъде.
По-късно Карл и аз заедно с Калин Вестигиан (Университет на Висконсин в Медисън) извършихме виртуални симулации на групи организми с много изкуствени, хипотетични генетични кодове. Създадохме модели на компютърни вируси, имитиращи живи системи: те имаха геном, експресирани протеини, можеха да се възпроизвеждат, да преживеят селекцията и приспособимостта им беше функция на техните собствени протеини.
Установихме, че не само техните геноми се развиват. Генетичната им година също се разви. Когато става въпрос за вертикална еволюция (между поколенията), генетичният код никога не става уникален или оптимален. Но когато става въпрос за ефекта на "колективната мрежа", генетичният код бързо се развива в уникалното оптимално състояние, което наблюдаваме днес.
Тези открития и въпросите как животът би могъл да придобие тези генетични кодове толкова бързо, предполагат, че трябва да виждаме признаци на хоризонтален трансфер на гени по-рано, отколкото в Последния универсален общ предшественик, например. И ние ги виждаме: някои от ензимите, които са свързани с основния механизъм на клетъчна транслация и генна експресия, показват сериозни доказателства за ранен хоризонтален трансфер на гени.
Как можехте да разчитате на тези заключения?
- Томазо Бианкалани и аз (сега в MIT) проведохме проучване преди около година - нашата статия беше публикувана за него - че животът автоматично изключва хоризонталния трансфер на гени, щом стане достатъчно сложен. Когато симулираме този процес, той по принцип се изключва от само себе си. Правят се опити за извършване на хоризонтален трансфер на гени, но почти нищо не се вкоренява. Тогава единственият доминиращ еволюционен механизъм е вертикалната еволюция, която винаги е присъствала. Сега се опитваме да правим експерименти, за да видим дали ядрото е извършило напълно прехода от хоризонтално към вертикално предаване.
Поради този подход към ранната еволюция казахте, че трябва да говорим по различен начин за биологията?
Хората са склонни да мислят за еволюцията като синоним на популационната генетика. Мисля, че това по принцип е правилно. Но всъщност не. Еволюцията се е състояла още преди съществуването на гени и това не може да се обясни със статистически модели на популационната генетика. Има колективни начини за еволюция, които също трябва да се вземат сериозно (например процеси като хоризонтален трансфер на гени).
В този смисъл нашето разбиране за еволюцията като процес е твърде тясно. Трябва да помислим за динамичните системи и как е възможно системите, способни да се развиват и възпроизвеждат, да съществуват изобщо. Когато мислите за физическия свят, не е очевидно защо просто не правите повече мъртви неща.
Защо планетата има способността да поддържа живота? Защо животът дори съществува? Динамиката на еволюцията трябва да бъде в състояние да реши този проблем. Прави впечатление, че ние дори нямаме идея как да разрешим този проблем. И като се има предвид, че животът започна като нещо физическо, а не биологично, той изразява физически интерес.
Как вашата работа по цианобактериите се вписва в приложението на теорията за кондензираната материя?
- Моят аспирант Хон-Ян Ши и аз моделирахме екосистема на организъм, наречен Prochlorococcus, цианобактерия, която живее в океана и използва фотосинтеза. Мисля, че този организъм може би е най-изобилният клетъчен организъм на планетата.
Има вируси, "фаги", които плячат с бактерии. Преди десетилетие учените откриха, че тези фаги също имат гени за фотосинтеза. Обикновено не мислите за вирус като за някой, който се нуждае от фотосинтеза. Тогава защо те носят тези гени?
„Изглежда, че бактериите и фагите не се държат точно като модел на плячка хищник. Бактериите ползват фаги. Всъщност бактериите биха могли да попречат на фагите да ги атакуват по различни начини, но те не го правят, поне не изцяло. Фагите фотосинтетични гени първоначално са дошли от бактерии - и изненадващо, че фагите ги прехвърлят обратно към бактериите. През последните 150 милиона години гените за фотосинтеза са се премествали между бактерии и фаги няколко пъти.
Оказва се, че гените се развиват много по-бързо при вирусите, отколкото при бактериите, защото процесът на репликация на вируси е много по-кратък и по-вероятно да направи грешки (репликацията е процесът на синтезиране на дъщерна молекула на дезоксирибонуклеиновата киселина върху шаблона на родителската молекула на ДНК - не повече).
Като страничен ефект от фаговия лов на бактерии, бактериалните гени понякога се пренасят във вируси, където те могат да се разпространяват, развиват бързо и след това да се върнат към бактериите, които след това могат да се възползват от него. Следователно фагите са били полезни за бактериите. Например, има два щама Prochlorococcus, които живеят на различни дълбочини. Един от тези екотипове е пригоден да живее по-близо до повърхността, където светлината е много по-интензивна, а разликата в нейните честоти е по-голяма. Тази адаптация може да се дължи на факта, че вирусите се развиват бързо.
Вирусите също се възползват от гените. Когато вирусът заразява хост и се репликира, броят на новите вируси, които създава, зависи от това колко дълго може да оцелее заснетата клетка. Ако вирусът носи системата за поддържане на живота (гени за фотосинтеза), той може да запази клетката по-дълго, за да направи повече копия на вируса.
Вирус, който носи гени за фотосинтеза, има конкурентно предимство пред този, който не. Има размножителен натиск върху вирусите за прехвърляне на гени, които са от полза за домакина. Бихте очаквали, че тъй като вирусите мутират толкова бързо, техните гени бързо ще се „разграждат“. Но в резултат на изчисления открихме, че бактериите филтрират „добри“гени и ги прехвърлят на вируси.
Следователно, това е една сладка история: взаимодействието на тези бактерии и вируси наподобява поведението на материята в кондензирано състояние - тази система може да бъде моделирана, за да прогнозира нейните свойства.
Говорихме за физически подход към биологията. Виждали ли сте обратното, когато биологията вдъхновява физиката?
- Да. Работя върху турбуленцията. Когато се върна у дома, именно тя ме държи будна през нощта. В статия, публикувана миналата година в Nature Physics, Хонг-Ян Шин, Tsung-Лин Шен и аз исках да обясня подробно как течност в тръба преминава от пластмасово състояние, където тече гладко и предвидимо, до състояние на турбулентност, където поведението му е непредсказуемо. и грешно.
Установихме, че преди прехода турбуленцията се държи като екосистема. Има специален динамичен режим на потока на течността, подобен на хищник: той се опитва да „изяде“турбулентността и взаимодействието между този режим и произтичащата от това турбулентност води до някои от явленията, които виждате, когато течността стане турбулентна.
В крайна сметка нашата работа предполага, че в течностите възниква определен тип фазов преход и това потвърждават експериментите. Тъй като проблемът с физиката се оказа подходящ за решаване на този биологичен проблем - относно връзката между хищник и плячка - Хон-Ян и знаехме как да имитирам и симулирам система и да възпроизведем това, което хората виждат в експериментите. Познаването на биологията наистина ни помогна да разберем физиката.
Има ли ограничения за физическия подход към биологията?
- Има опасност да се повтори само това, което е известно, така че не можете да правите нови прогнози. Но понякога вашата абстракция или минимално представяне се опростяват и губите нещо в процеса.
Не можеш да мислиш твърде теоретично. Трябва да запретнете ръкави, за да изучавате биология, да сте тясно свързани с реални експериментални явления и реални данни.
Ето защо нашата работа се осъществява съвместно с експериментатори: заедно с колегите си събирах микроби от горещите извори на Национален парк Йелоустоун, наблюдавах в реално време „скачащите“гени в живи клетки, секвенцирани (секвениране - определяне на аминокиселината или нуклеотидната последователност - приблизително нова) стомашно-чревна. - чревна микробиома на гръбначни животни. Всеки ден работя в Института по геномна биология, въпреки че физиката е моето "родно" поле.
Йордана Цепелевич
Преводът е извършен по проект Ново