Fizicianul Nigel Goldenfeld urăște biologia: „Cel puțin nu în forma în care am fost învățată în școală”, spune el. „A fost ca o mulțime de fapte. Practic nu a existat o analiză cantitativă precisă . Această atitudine ar putea surprinde pe oricine privește numeroasele proiecte la care lucrează laboratorul Goldenfeld.
El și colegii săi monitorizează comportamentul colectiv și individual al albinelor, analizează biofilmele, observă săriturile genelor, evaluează diversitatea vieții din ecosisteme și explorează relația microbiomilor.
Goldenfeld este șeful Institutului de Astrobiologie pentru Biologie Generală al NASA, dar nu își petrece cea mai mare parte a timpului în departamentul de fizică al Universității din Illinois, ci în laboratorul său biologic din campusul din Urbana-Champaign.
Nigel Goldenfeld nu este singurul fizician care încearcă să rezolve probleme în biologie. În anii 1930, Max Delbrück a schimbat conceptul de viruși. Ulterior, Erwin Schrödinger a publicat What is Life? Aspectul fizic al unei celule vii”. Francis Crick, un pionier în cristalografia cu raze X, a ajutat la descoperirea structurii ADN-ului.
Goldenfeld vrea să beneficieze de cunoștințele sale despre teoria materiei condensate. Când studiază această teorie, modelează dezvoltarea unui eșantion într-un sistem fizic dinamic pentru a înțelege mai bine diverse fenomene (turbulențe, tranziții de fază, caracteristici ale rocilor geologice, piața financiară).
Un interes pentru starea emergentă a materiei i-a dus pe fizicieni la unul dintre cele mai mari mistere ale biologiei - originea vieții însăși. Din această sarcină s-a dezvoltat actuala ramură a cercetării sale.
"Fizicienii pot pune întrebări diferit", este convins Goldenfeld. „Motivația mea a fost întotdeauna să caut biologia în domenii în care o astfel de abordare ar avea sens. Dar pentru a reuși, trebuie să lucrați cu biologii și, de fapt, să deveniți unul singur. Fizica și biologia sunt la fel de necesare."
Quanta a vorbit cu Goldenfeld despre fenomenele colective din fizică și extinderea teoriei sintetice a evoluției. De asemenea, au discutat despre utilizarea unor instrumente cantitative și teoretice din fizică pentru a descoperi vălul misterului care înconjoară viața timpurie pe Pământ și interacțiunile dintre cianobacterii și viruși prădători. Următorul este un rezumat al acestei conversații.
Video promotional:
Fizica are o structură conceptuală de bază, în timp ce biologia nu. Încercați să dezvoltați o teorie generală a biologiei?
„Doamne, desigur că nu. Nu există o teorie unică în biologie. Evoluția este cel mai apropiat lucru pe care îl puteți aduce. Biologia în sine este rezultatul evoluției; viața în toată diversitatea sa și fără excepție s-a dezvoltat ca urmare a evoluției. Este necesar să înțelegem cu adevărat evoluția ca un proces pentru a înțelege biologia.
Cum pot efectele colective din domeniul fizicii să ne completeze înțelegerea despre evoluție?
Când te gândești la evoluție, de obicei ai tendința să te gândești la genetica populației, la repetarea genelor într-o populație. Dar dacă te uiți la Ultimul strămoș comun universal (organismul strămoș al tuturor celorlalte organisme, pe care le putem urmări prin filogenetică), vei înțelege că acesta nu este chiar începutul originii vieții.
Înainte de asta, cu siguranță, exista o formă de viață și mai simplă - o formă care nici măcar nu avea gene atunci când încă nu existau specii. Știm că evoluția este un fenomen mult mai larg decât genetica populației.
Ultimul strămoș comun universal a trăit acum 3,8 miliarde de ani. Planeta Pământ are 4,6 miliarde de ani. Viața însăși a călătorit de la începuturi până la complexitatea celulei moderne în mai puțin de un miliard de ani. Probabil și mai rapid: de atunci, în evoluția structurii celulare au apărut relativ puține evoluții. Se pare că evoluția a fost lentă în ultimii 3,5 miliarde de ani, dar foarte rapidă la început. De ce s-a dezvoltat viața atât de rapid?
Karl Woese (biofizic, a murit în 2012) și am crezut că inițial dezvoltarea a avut loc diferit. În epoca noastră, viața evoluează printr-o moștenire "verticală": transmiteți genelor dvs. copiilor voștri, ei, la rândul lor, copiilor lor și așa mai departe. Transferul „orizontal” de gene se realizează între organisme care nu sunt conectate între ele.
Acest lucru se întâmplă acum în bacterii și alte organisme cu gene care nu sunt foarte importante în structura celulelor. De exemplu, genele care dau rezistență la antibiotice - datorită acestora, bacteriile dobândesc protecție împotriva medicamentelor atât de rapid. Cu toate acestea, în fazele timpurii ale vieții, chiar și mecanismul de bază al celulei a fost transmis pe orizontală.
Anterior, viața era o stare agregată și era mai mult o comunitate strâns legată de schimbul de gene decât doar o colecție de forme individuale. Există multe alte exemple de stări colective, cum ar fi o colonie de albine sau o turmă de păsări, unde colectivul pare să aibă propria personalitate și comportament, care rezultă din elementele și modalitățile în care interacționează. Viața timpurie a fost comunicată prin transfer de gene.
De unde știți?
„Putem explica o dezvoltare rapidă și optimă a vieții numai dacă permitem efectul acestei„ rețele timpurii”și nu arborele [familiei]. În urmă cu aproximativ 10 ani, am descoperit că această teorie se aplică codului genetic, regulilor care spun celulei ce aminoacizi trebuie să folosească pentru a face proteine. Fiecare organism de pe planetă are același cod genetic, cu diferențe minime.
În anii '60, Karl a fost primul care a venit cu ideea că codul genetic pe care îl posedăm este cât se poate de bun pentru a minimiza erorile. Chiar dacă obțineți aminoacidul greșit din cauza unei mutații sau a unei greșeli a mecanismului de transport celular, codul genetic va determina cu exactitate aminoacidul pe care ar trebui să îl primiți. Deci, ai încă o șansă ca proteina pe care o produci să funcționeze și corpul tău să nu moară.
David Haig (Harvard) și Lawrence Hirst (Universitatea din Bath) au fost primii care au demonstrat că această idee poate fi evaluată calitativ folosind metoda Monte Carlo: au încercat să afle al căror cod genetic este cel mai rezistent la astfel de erori. Și noi înșine am devenit răspunsul. Aceasta este cu adevărat o descoperire uluitoare, dar nu atât de răspândită pe cât ar trebui să fie.
Mai târziu, Karl și cu mine, împreună cu Kalin Vestigian (Universitatea din Wisconsin la Madison), au efectuat simulări virtuale ale grupurilor de organisme cu multe coduri genetice artificiale, ipotetice. Am creat modele de virus computerizat care imitau sistemele vii: aveau un genom, proteine exprimate, puteau să se reproducă, să supraviețuiască selecției, iar adaptabilitatea lor a fost o funcție a propriilor proteine.
Am descoperit că nu numai genomii lor au evoluat. Anul lor genetic a evoluat și el. Când vine vorba de evoluție verticală (între generații), codul genetic nu devine niciodată unic sau optim. Dar când vine vorba de efectul „rețea colectivă”, atunci codul genetic evoluează rapid în starea optimă unică pe care o observăm astăzi.
Aceste descoperiri și întrebări despre modul în care viața ar fi putut dobândi aceste coduri genetice atât de repede sugerează că ar trebui să vedem semne ale transferului de gene orizontal mai devreme decât în Ultimul strămoș comun universal, de exemplu. Și le vedem: unele dintre enzimele care sunt asociate cu mecanismul principal de traducere celulară și de exprimare a genelor arată dovezi puternice pentru transferul de gene orizontal timpuriu.
Cum te-ai putea baza pe aceste concluzii?
- Tommaso Biancalani și cu mine (acum la MIT) am realizat un studiu în urmă cu un an - articolul nostru despre el a fost publicat - că viața dezactivează automat transferul de gene orizontal imediat ce a devenit destul de complicat. Când simulăm acest proces, practic se închide de la sine. Se fac încercări de efectuare a transferului de gene orizontal, dar aproape nimic nu ia rădăcină. Atunci, singurul mecanism evolutiv dominant este evoluția verticală, care a fost întotdeauna prezentă. Încercăm acum să facem experimente pentru a vedea dacă sâmburele a făcut complet trecerea de la transmisia orizontală la cea verticală.
Datorită acestei abordări a evoluției timpurii, ați spus că ar trebui să vorbim diferit despre biologie?
Oamenii tind să gândească evoluția ca sinonim cu genetica populației. Cred că acest lucru este, în principiu, corect. Dar nu chiar. Evoluția a avut loc chiar înainte de existența genelor, iar acest lucru nu poate fi explicat prin modelele statistice ale geneticii populației. Există modalități colective de evoluție care trebuie, de asemenea, luate în serios (de exemplu, procese precum transferul orizontal de gene).
În acest sens, înțelegerea noastră despre evoluție ca proces este prea restrânsă. Trebuie să ne gândim la sistemele dinamice și la modul în care este posibil ca sistemele capabile să se dezvolte și să reproducă să poată exista. Când te gândești la lumea fizică, nu este evident de ce nu faci mai multe lucruri moarte.
De ce planeta are capacitatea de a sprijini viața? De ce chiar există viața? Dinamica evoluției ar trebui să poată rezolva această problemă. Este de remarcat faptul că nici măcar nu avem o idee despre cum să rezolvăm această problemă. Și având în vedere că viața a început ca ceva fizic, nu biologic, el exprimă un interes fizic.
Cum se potrivesc lucrările dvs. despre cianobacterii în aplicarea teoriei materiei condensate?
- Studentul meu absolvent Hong-Yang Shi și am modelat un ecosistem al unui organism numit Prochlorococcus, un cianobacterium care trăiește în ocean și folosește fotosinteza. Cred că acest organism poate fi cel mai abundent organism celular de pe planetă.
Există viruși, „fagii” care pradează bacteriile. În urmă cu un deceniu, oamenii de știință au descoperit că acești fagi au și gene pentru fotosinteză. De obicei, nu te gândești la un virus ca la cineva care are nevoie de fotosinteză. Atunci de ce poartă aceste gene?
„Se pare că bacteriile și fagii nu se comportă exact ca un model prădător. Bacteriile beneficiază de fagi. De fapt, bacteriile ar putea împiedica fagii să le atace în diverse moduri, dar nu o fac, cel puțin nu în totalitate. Genele fotosintetice ale fagului proveneau inițial din bacterii - și, surprinzător, fagii le-au transferat înapoi în bacterii. În ultimii 150 de milioane de ani, genele pentru fotosinteză s-au mișcat de câteva ori între bacterii și fagi.
Se dovedește că genele se dezvoltă mult mai rapid la viruși decât în bacterii, deoarece procesul de replicare a virusurilor este mult mai scurt și este mai probabil să greșească (replicarea este procesul de sinteză a unei molecule fiice de acid dezoxiribonucleic pe șablonul moleculei ADN-mamă - nu mai mult).
Ca efect secundar al vânătorii de fagi pentru bacterii, genele bacteriene sunt uneori transferate în viruși, unde se pot răspândi, se pot dezvolta rapid și apoi revin la bacterii, care pot beneficia apoi de ea. Prin urmare, fagii erau benefici pentru bacterii. De exemplu, există două tulpini de Prochlorococ care trăiesc la adâncimi diferite. Unul dintre aceste ecotipuri este adaptat pentru a trăi mai aproape de suprafață, unde lumina este mult mai intensă, iar diferența în frecvențele sale este mai mare. Această adaptare se poate datora faptului că virusurile au evoluat rapid.
De asemenea, virusurile beneficiază de gene. Când un virus infectează o gazdă și se reproduce, numărul de noi virusuri pe care le creează depinde de cât timp poate supraviețui celula capturată. Dacă virusul poartă sistemul de susținere a vieții (gene pentru fotosinteză), acesta poate menține celula mai mult timp pentru a face mai multe copii ale virusului.
Un virus care poartă gene pentru fotosinteză are un avantaj competitiv față de unul care nu. Există o presiune de reproducere asupra virusurilor pentru a transfera gene care beneficiază gazda. Te-ai aștepta ca, deoarece virușii mută atât de repede, genele lor se vor „degrada” rapid. Însă, în urma calculelor, am constatat că bacteriile filtrează genele „bune” și le transferă la viruși.
Prin urmare, aceasta este o poveste drăguță: interacțiunea acestor bacterii și viruși seamănă cu comportamentul unei substanțe într-o stare condensată - acest sistem poate fi modelat pentru a prezice proprietățile sale.
Am vorbit despre o abordare fizică a biologiei. Ați văzut contrariul când biologia a inspirat fizica?
- Da. Lucrez la turbulență. Când mă întorc acasă, ea este cea care mă ține treaz noaptea. Într-un articol publicat anul trecut în Nature Physics, Hong-Yan Shin, Tsung-Lin Sheng și am vrut să explic în detaliu cum un fluid dintr-o conductă trece dintr-o stare de plastic, unde curge lin și predictibil, într-o stare de turbulență, unde comportamentul său este imprevizibil. si gresit.
Am constatat că, înainte de tranziție, turbulențele se comportă ca un ecosistem. Există un regim dinamic special al fluxului de fluide, similar cu un prădător: încearcă să „mănânce” turbulența, iar interacțiunea dintre acest regim și turbulența rezultată duce la unele dintre fenomenele pe care le vedeți când fluidul devine turbulent.
În cele din urmă, munca noastră presupune că un anumit tip de tranziție de fază are loc în lichide, iar acest lucru confirmă experimentele. Întrucât problema fizicii s-a dovedit a fi potrivită pentru rezolvarea acestei probleme biologice - despre relația dintre prădător și pradă - Hong-Yan și am știut să imităm și să simulăm un sistem și să reproducem ceea ce văd oamenii în experimente. Cunoașterea biologiei ne-a ajutat într-adevăr să înțelegem fizica.
Există limitări pentru abordarea fizică a biologiei?
- Există pericolul de a repeta doar ceea ce se știe, deci nu puteți face noi predicții. Dar uneori abstractizarea sau reprezentarea dvs. minimă se simplifică și pierdeți ceva în proces.
Nu te poți gândi prea teoretic. Ar trebui să vă mulați mânecile pentru a studia biologia, să fiți strâns conectați cu fenomene experimentale reale și date reale.
De aceea, munca noastră se desfășoară împreună cu experimentatori: împreună cu colegii, am colectat microbi din izvoarele fierbinți din Parcul Național Yellowstone, am urmărit în timp real genele „săritoare” din celulele vii, secvențiate (secvențiere - determinarea secvenței de aminoacizi sau nucleotide - aprox. - microbiomul intestinal al vertebratelor. În fiecare zi lucrez la Institutul de Biologie Genomică, deși fizica este domeniul meu „nativ”.
Jordana Cepelewicz
Traducerea a fost realizată de proiectul Nou
