Fiziķis Nigils Goldenfelds ienīst bioloģiju: “Vismaz ne tādā veidā, kā man to mācīja skolā,” viņš saka. “Tas bija kā nemierīgs faktu kopums. Precīzi kvantitatīvas analīzes nebija. Šī attieksme varētu pārsteigt ikvienu, kurš aplūko daudzos projektus, pie kuriem strādā Goldenfelda laboratorija.
Viņš un viņa kolēģi uzrauga medus bišu kolektīvo un individuālo izturēšanos, analizē bioplēves, vēro, kā gēni lec, novērtē dzīves daudzveidību ekosistēmās un pēta mikrobiomu attiecības.
Goldenfelds ir NASA Vispārīgās bioloģijas asterobioloģijas institūta vadītājs, taču lielāko daļu laika viņš nepavada Ilinoisas universitātes fizikas nodaļā, bet gan savā bioloģiskajā laboratorijā pilsētiņā Urbana-Champaign.
Nigils Goldenfelds nav vienīgais fiziķis, kurš mēģina atrisināt problēmas bioloģijā. 30. gados Makss Delbriuks mainīja vīrusu jēdzienu. Vēlāk Ervins Šrēdingers publicēja Kas ir dzīve? Dzīvas šūnas fiziskais aspekts”. Fransisko Kriks, rentgena kristalogrāfijas pionieris, palīdzēja atklāt DNS struktūru.
Goldenfelds vēlas gūt labumu no savām zināšanām par kondensētās vielas teoriju. Pētot šo teoriju, viņš imitē parauga attīstību dinamiskā fiziskā sistēmā, lai labāk izprastu dažādas parādības (turbulenci, fāžu pārejas, ģeoloģisko iežu pazīmes, finanšu tirgu).
Interese par topošo matērijas stāvokli fiziķus noveda pie viena no lielākajiem bioloģijas noslēpumiem - pašas dzīvības pirmsākumiem. Tieši no šī uzdevuma attīstījās pašreizējā viņa pētījumu nozare.
"Fiziķi jautājumus var uzdot atšķirīgi," ir pārliecināts Goldenfelds. “Mana motivācija vienmēr ir bijusi meklēt bioloģijā tās jomas, kurās šādai pieejai būtu jēga. Bet, lai gūtu panākumus, jums ir jāsadarbojas ar biologiem un patiesībā jākļūst vienam. Fizika un bioloģija ir vienlīdz nepieciešami."
Kvanta runāja ar Goldenfeldu par kolektīvām parādībām fizikā un sintētiskās evolūcijas teorijas paplašināšanu. Viņi arī apsprieda kvantitatīvo un teorētisko fizikas instrumentu izmantošanu, lai paceltu noslēpuma plīvuru, kas ieskauj agrīnu dzīvi uz Zemes, un zilaļģu un plēsīgo vīrusu mijiedarbību. Šis ir šīs sarunas kopsavilkums.
Reklāmas video:
Fizikai ir pamata konceptuālā struktūra, savukārt bioloģijai tās nav. Vai jūs mēģināt izstrādāt vispārīgu bioloģijas teoriju?
“Dievs, protams, nē. Bioloģijā nav vienas teorijas. Evolūcija ir tuvākā lieta, ko tai varat dot. Pati bioloģija ir evolūcijas rezultāts; dzīve visā tās daudzveidībā un bez izņēmumiem ir izveidojusies evolūcijas rezultātā. Ir jāsaprot evolūcija kā process, lai saprastu bioloģiju.
Kā kolektīvie fizikas jomas efekti var papildināt mūsu izpratni par evolūciju?
Domājot par evolūciju, parasti mēdz domāt par populācijas ģenētiku, par gēnu atkārtošanos populācijā. Bet, ja paskatīsities uz Pēdējo universālo kopējo senču (visu citu organismu senču organismu, kuru mēs varam izsekot caur filoģenētiku), jūs sapratīsit, ka tas nav pats dzīvības izcelsmes sākums.
Pirms tam noteikti bija vēl vienkāršāka dzīvības forma - forma, kurai pat nebija gēnu, kad vēl nebija sugu. Mēs zinām, ka evolūcija ir daudz plašāka parādība nekā populācijas ģenētika.
Pēdējais vispārējais sencis dzīvoja pirms 3,8 miljardiem gadu. Zemei ir 4,6 miljardi gadu veca. Pati dzīve ir novirzījusies no pirmsākumiem līdz mūsdienu šūnas sarežģītībai mazāk nekā miljarda gadu laikā. Droši vien pat ātrāk: kopš tā laika šūnu struktūras evolūcijā ir noticis salīdzinoši maz notikumu. Izrādās, ka pēdējos 3,5 miljardos gadu evolūcija ir bijusi lēna, bet sākumā ļoti strauja. Kāpēc dzīve ir attīstījusies tik strauji?
Kārlis Voiss (biofiziķis, miris 2012. gadā) un es uzskatīju, ka sākotnēji attīstība notika savādāk. Mūsu laikmetā dzīve attīstās caur "vertikālu" mantojumu: jūs nododat savus gēnus saviem bērniem, viņi, savukārt, saviem bērniem utt. Gēnu "horizontālā" pārnešana tiek veikta starp organismiem, kas nav savstarpēji saistīti.
Tagad tas notiek baktērijās un citos organismos ar gēniem, kas nav īpaši svarīgi šūnu struktūrā. Piemēram, gēni, kas rada rezistenci pret antibiotikām - pateicoties viņiem, baktērijas tik ātri iegūst aizsardzību no narkotikām. Tomēr dzīves agrīnajos posmos pat šūnas pamatmehānisms tika pārraidīts horizontāli.
Iepriekš dzīve bija kumulatīva, un tā drīzāk bija kopiena, kas bija cieši saistīta ar gēnu apmaiņu, nekā tikai atsevišķu formu kolekcija. Ir daudz citu kolektīvo stāvokļu piemēru, piemēram, bišu kolonija vai putnu saime, kur kolektīvam, šķiet, ir sava personība un izturēšanās, kas izriet no elementiem un veidiem, kā viņi mijiedarbojas. Par agrīno dzīvi tika paziņots, izmantojot gēnu pārnesi.
Kā tu zini?
“Tik ātru un optimālu dzīves attīstību mēs varam izskaidrot tikai tad, ja pieļaujam šī“agrīnā tīkla”, nevis [cilts] koka efektu. Apmēram pirms 10 gadiem mēs atklājām, ka šī teorija attiecas uz ģenētisko kodu, uz noteikumiem, kas šūnai pasaka, kuras aminoskābes izmantot proteīna iegūšanai. Katram organismam uz planētas ir vienāds ģenētiskais kods ar minimālām atšķirībām.
Sešdesmitajos gados Kārlis bija pirmais, kurš nāca klajā ar domu, ka ģenētiskais kods, kas mums pieder, ir pēc iespējas labs, lai mazinātu kļūdas. Pat ja jūs saņemat nepareizu aminoskābi mutācijas vai kļūdas dēļ šūnu transporta mehānismā, ģenētiskais kods precīzi noteiks aminoskābi, kas jums jāsaņem. Tātad, jums joprojām ir iespēja, ka jūsu saražotais proteīns darbosies un jūsu ķermenis nemirs.
Deivids Haigs (Hārvarda) un Lawrence Hirst (Batas universitāte) bija pirmie, kas parādīja, ka šo ideju var kvalitatīvi novērtēt, izmantojot Montekarlo metodi: viņi mēģināja noskaidrot, kura ģenētiskais kods ir visizturīgākais pret šāda veida kļūdām. Un mēs paši kļuvām par atbildi. Šis patiesi ir satriecošs atklājums, taču ne tik izplatīts, kā tam vajadzētu būt.
Vēlāk Kārlis un es kopā ar Kalinu Vestigianu (Viskonsinas Universitāte Madisonā) veica organismu grupu virtuālas simulācijas ar daudziem mākslīgiem, hipotētiskiem ģenētiskiem kodiem. Mēs izveidojām datorvīrusu modeļus, kas atdarināja dzīvās sistēmas: viņiem bija genoms, izteikti proteīni, viņi varēja replicēties paši, izdzīvot atlases laikā, un viņu pielāgošanās spēja bija viņu pašu olbaltumvielu funkcija.
Mēs noskaidrojām, ka attīstījās ne tikai viņu genomi. Viņu ģenētiskais gads arī attīstījās. Runājot par vertikālu evolūciju (starp paaudzēm), ģenētiskais kods nekad nekļūst unikāls vai optimāls. Bet, runājot par "kolektīvā tīkla" efektu, ģenētiskais kods strauji attīstās unikālā optimālā stāvoklī, ko mēs šodien novērojam.
Šie atklājumi un jautājumi par to, kā dzīve varēja tik ātri iegūt šos ģenētiskos kodus, liek domāt, ka horizontālā gēna pārnešanas pazīmes mums būtu jāredz agrāk nekā, piemēram, pēdējā vispārējā senčā. Un mēs tos redzam: daži no fermentiem, kas ir saistīti ar galveno šūnu translācijas un gēnu ekspresijas mehānismu, liecina par nopietniem pierādījumiem par agrīnu horizontālu gēnu pārnešanu.
Kā jūs varētu paļauties uz šiem secinājumiem?
- Tommaso Biancalani un es (tagad MIT) veica pētījumu aptuveni pirms gada - par viņu tika publicēts mūsu raksts -, ka dzīve automātiski izslēdz horizontālo gēnu pārnesi, tiklīdz tā kļūst pietiekami sarežģīta. Kad mēs modelējam šo procesu, tas pamatā izslēdzas pats no sevis. Tiek mēģināts veikt horizontālu gēnu pārsūtīšanu, taču gandrīz nekas neiesakņojas. Tad vienīgais dominējošais evolūcijas mehānisms ir vertikālā evolūcija, kas vienmēr ir bijusi klāt. Tagad mēs cenšamies veikt eksperimentus, lai noskaidrotu, vai kodols ir pilnībā veicis pāreju no horizontālās uz vertikālo pārraidi.
Vai šīs pieejas agrīnajai evolūcijai dēļ jūs teicāt, ka mums par bioloģiju vajadzētu runāt savādāk?
Cilvēki mēdz domāt par evolūciju kā sinonīmu populācijas ģenētikai. Es domāju, ka tas principā ir pareizi. Bet ne īsti. Evolūcija notika pat pirms gēnu pastāvēšanas, un to nevar izskaidrot ar statistiskajiem populācijas ģenētikas modeļiem. Ir kolektīvi evolūcijas veidi, kas arī ir jāuztver nopietni (piemēram, tādi procesi kā horizontālā gēnu pārnešana).
Tieši šajā ziņā mūsu izpratne par evolūciju kā procesu ir pārāk šaura. Mums ir jādomā par dinamiskām sistēmām un to, kā ir iespējams, ka vispār var pastāvēt sistēmas, kuras spēj attīstīt un reproducēt. Kad domājat par fizisko pasauli, nav acīmredzami, kāpēc jūs vienkārši neveicat vairāk mirušu lietu.
Kāpēc planēta spēj uzturēt dzīvību? Kāpēc dzīve pat pastāv? Ar evolūcijas dinamiku vajadzētu spēt atrisināt šo problēmu. Zīmīgi, ka mums pat nav idejas, kā šo problēmu atrisināt. Un, ņemot vērā to, ka dzīve sākās kā kaut kas fizisks, nevis bioloģisks, viņš izsaka fizisku interesi.
Kā jūsu darbs pie zilaļģēm iekļaujas kondensētās vielas teorijas piemērošanā?
- Mans doktorants Hong-Yang Shi un es modelēja organisma ekosistēmu ar nosaukumu Prochlorococcus - zilaļģu baktēriju, kas dzīvo okeānā un izmanto fotosintēzi. Es domāju, ka šis organisms var būt visizplatītākais šūnu organisms uz planētas.
Ir vīrusi, "fāgi", kas upurē baktērijas. Pirms desmit gadiem zinātnieki atklāja, ka šiem fāgiem ir arī fotosintēzes gēni. Jūs parasti nedomājat par vīrusu kā personu, kurai nepieciešama fotosintēze. Tad kāpēc viņi nes šos gēnus?
“Izskatās, ka baktērijas un fāgi nerīkojas tieši tā, kā plēsīgo plēsīgo dzīvnieku modelis. Baktērijas dod labumu fāgiem. Faktiski baktērijas varēja novērst fāgiem dažādos veidos uzbrukt, taču tie vismaz ne pilnībā. Fāžu fotosintēzes gēni sākotnēji nāca no baktērijām - un, pārsteidzoši, fāgi pēc tam tos pārnesa atpakaļ uz baktērijām. Pēdējo 150 miljonu gadu laikā fotosintēzes gēni ir vairākas reizes pārvietojušies starp baktērijām un fāgiem.
Izrādās, ka gēni vīrusos attīstās daudz ātrāk nekā baktērijās, jo vīrusu replikācijas process ir daudz īsāks un, iespējams, tiek pieļautas kļūdas (replikācija ir dezoksiribonukleīnskābes meitas molekulas sintezēšanas process uz vecāku DNS molekulas šablonu - ne vairāk).
Kā baktēriju fāgu medību blakusparādība baktēriju gēnus dažreiz pārnēsā vīrusos, kur tie var izplatīties, strauji attīstīties un pēc tam atgriezties baktērijās, kuras pēc tam var gūt labumu. Tāpēc fāgi bija labvēlīgi baktērijām. Piemēram, ir divi Prochlorococcus celmi, kas dzīvo dažādos dziļumos. Viens no šiem ekotipiem ir pielāgots, lai dzīvotu tuvāk virsmai, kur gaisma ir daudz intensīvāka, un atšķirība tā frekvencēs ir lielāka. Šī adaptācija var būt saistīta ar faktu, ka vīrusi ir strauji attīstījušies.
Vīrusi gūst labumu arī no gēniem. Kad vīruss inficē saimnieku un pats atkārtojas, jaunu radīto vīrusu skaits ir atkarīgs no tā, cik ilgi notvertā šūna var izdzīvot. Ja vīruss nes dzīvības uzturēšanas sistēmu (fotosintēzes gēni), tas var saglabāt šūnu ilgāk, lai varētu izgatavot vairāk vīrusa kopiju.
Vīrusam, kam ir fotosintēzes gēni, ir konkurences priekšrocības salīdzinājumā ar tādu, kam nav. Pastāv audzēšanas spiediens uz vīrusiem, lai pārnestu gēnus, kas nāk par labu saimniekam. Jūs varētu gaidīt, ka tāpēc, ka vīrusi tik ātri mutē, viņu gēni ātri "noārdās". Bet aprēķinu rezultātā mēs atklājām, ka baktērijas filtrē "labos" gēnus un nodod tos vīrusiem.
Tāpēc šis ir jauks stāsts: šo baktēriju un vīrusu mijiedarbība atgādina vielas izturēšanos kondensētā stāvoklī - šo sistēmu var modelēt, lai paredzētu tās īpašības.
Mēs runājām par fizisko pieeju bioloģijai. Vai esat redzējuši pretējo, kad bioloģija iedvesmoja fiziku?
- Jā. Es strādāju pie turbulences. Kad es atgriezos mājās, tieši viņa mani naktī tur nomodā. Rakstā, kas publicēts pagājušajā gadā žurnālā Nature Physics, Hong-Yan Shin, Tsung-Ling Sheng un es gribējām detalizēti izskaidrot, kā šķidrums caurulē iet no plastmasas stāvokļa, kur tas plūst vienmērīgi un paredzami, līdz turbulences stāvoklim, kur tā uzvedība nav prognozējama. un nepareizi.
Mēs noskaidrojām, ka pirms pārejas turbulence uzvedas kā ekosistēma. Pastāv īpašs šķidruma plūsmas dinamiskais režīms, līdzīgs plēsējam: tas mēģina "ēst" turbulenci, un šī režīma mijiedarbība ar izrietošo turbulenci noved pie dažām parādībām, kuras redzat, šķidrumam kļūstot turbulentam.
Galu galā mūsu darbs pieņem, ka šķidrumos notiek noteikta veida fāžu pāreja, un to apstiprina eksperimenti. Tā kā fizikas problēma izrādījās piemērota šīs bioloģiskās problēmas risināšanai - par plēsēja un laupījuma attiecībām -, Hong-Yan un es zinājām, kā atdarināt un imitēt sistēmu un reproducēt to, ko cilvēki redz eksperimentos. Zināt bioloģiju patiešām palīdzēja mums izprast fiziku.
Vai fiziskajai pieejai bioloģijā ir kādi ierobežojumi?
- Pastāv risks atkārtot tikai to, kas ir zināms, tāpēc jūs nevarat izteikt jaunas prognozes. Bet dažreiz jūsu abstrakcija vai minimāla pārstāvība tiek vienkāršota, un jūs kaut ko zaudējat šajā procesā.
Nevar pārāk teorētiski domāt. Jums vajadzētu salocīt piedurknes, lai studētu bioloģiju, jābūt cieši saistītai ar reālām eksperimentālām parādībām un reāliem datiem.
Tāpēc mūsu darbs tiek veikts kopā ar eksperimentētājiem: kopā ar kolēģiem es savācu mikrobus no Jeloustonas Nacionālā parka karstajiem avotiem, reālajā laikā vēroju dzīvajās šūnās “lecošos” gēnus, veicu sekvenēšanu (sekvencēšana - aminoskābes vai nukleotīdu secības noteikšana - apm. - mugurkaulnieku zarnu mikrobioms. Katru dienu strādāju Genomiskās bioloģijas institūtā, kaut arī fizika ir mana “dzimtā” nozare.
Jordana Cepelewicz
Tulkošanu veica projekts Jauns