Fysikern Nigel Goldenfeld hatar biologi: "Åtminstone inte i den form som jag fick lära mig den i skolan," säger han.”Det var som en överväldigande uppsättning fakta. Det fanns praktiskt taget ingen exakt kvantitativ analys. " Denna inställning kan överraska alla som tittar på de många projekt Goldenfelds laboratorium arbetar med.
Han och hans kollegor övervakar det kollektiva och individuella beteendet hos honungsbin, analyserar biofilmer, observerar hoppning av gener, bedömer mångfalden i livsformer i ekosystem och utforskar förhållandet mellan mikrobiomer.
Goldenfeld är chef för NASAs astrobiologiska institut för allmän biologi, men han tillbringar inte större delen av sin tid på fysikavdelningen vid University of Illinois, utan i sitt biologiska laboratorium på campus i Urbana-Champaign.
Nigel Goldenfeld är inte den enda fysikern som försöker lösa biologiska problem. På 1930-talet ändrade Max Delbrück begreppet virus. Senare publicerade Erwin Schrödinger What is Life? Den fysiska aspekten av en levande cell”. Francis Crick, en pionjär inom röntgenkristallografi, hjälpte till att avslöja strukturen hos DNA.
Goldenfeld vill dra nytta av sin kunskap om kondenserad materielteori. När han studerar denna teori simulerar han utvecklingen av ett prov i ett dynamiskt fysiskt system för att bättre förstå olika fenomen (turbulens, fasövergångar, funktioner i geologiska bergarter, finansmarknaden).
Ett intresse för det framväxande tillståndet materia ledde fysiker till ett av de största biologiska mysterierna - själva livets ursprung. Det var från denna uppgift som den nuvarande grenen av hans forskning utvecklades.
"Fysiker kan ställa frågor annorlunda," är Goldenfeld övertygad om.”Min motivation har alltid varit att leta inom biologi efter områden där en sådan strategi skulle vara vettigt. Men för att lyckas måste du arbeta med biologer och faktiskt bli en själv. Fysik och biologi behövs lika."
Quanta talade med Goldenfeld om kollektiva fenomen i fysiken och utvidgningen av den syntetiska evolutionsteorin. De diskuterade också användningen av kvantitativa och teoretiska verktyg från fysik för att avslöja slöret av mysterium som omger tidigt liv på jorden och samspelet mellan cyanobakterier och rovdjur. Följande är en sammanfattning av denna konversation.
Kampanjvideo:
Fysik har en grundläggande konceptuell struktur, medan biologi inte gör det. Försöker du utveckla en allmän teori om biologi?
”Gud, naturligtvis inte. Det finns ingen enda teori inom biologi. Evolution är det närmaste du kan ta den. Biologin i sig är resultatet av evolutionen; livet i all dess mångfald och utan undantag har utvecklats som ett resultat av evolutionen. Det är nödvändigt att verkligen förstå evolutionen som en process för att förstå biologin.
Hur kan kollektiva effekter från fysikfältet komplettera vår förståelse för evolution?
När du tänker på evolution tenderar du vanligtvis att tänka på populationsgenetik, om upprepningen av gener i en befolkning. Men om du tittar på den sista Universal Common Ancestor (förfäderorganismen för alla andra organismer, som vi kan spåra genom fylogenetik), kommer du att förstå att detta inte är början på livets ursprung.
Innan dess fanns det definitivt en ännu enklare livsform - en form som inte ens hade gener när det inte fanns några arter ännu. Vi vet att evolution är ett mycket bredare fenomen än populationsgenetik.
Den senaste universella gemensamma förfäder levde för 3,8 miljarder år sedan. Planet Earth är 4,6 miljarder år gammal. Livet i sig har rest från början till den moderna cellens komplexitet på mindre än en miljard år. Förmodligen ännu snabbare: sedan dess har relativt få utvecklingar skett i utvecklingen av cellstrukturen. Det visar sig att utvecklingen har varit långsam under de senaste 3,5 miljarder åren, men mycket snabbt i början. Varför har livet utvecklats så snabbt?
Karl Woese (biofysiker, dog 2012) och jag trodde att utvecklingen ursprungligen skedde annorlunda. I vår era utvecklas livet genom "vertikal" arv: du överlämnar dina gener till dina barn, de i sin tur till sina barn och så vidare. Den "horisontella" överföringen av gener utförs mellan organismer som inte är förbundna med varandra.
Detta händer nu i bakterier och andra organismer med gener som inte är särskilt viktiga i cellstrukturen. Till exempel gener som ger resistens mot antibiotika - tack vare dem får bakterier skydd mot läkemedel så snabbt. Men i de tidiga livsfaserna överfördes till och med cellens grundmekanism horisontellt.
Tidigare var livet ett kumulativt tillstånd och var mer ett samhälle som är nära sammansat av genutbyte än bara en samling av enskilda former. Det finns många andra exempel på kollektiva tillstånd, till exempel en koloni av bin eller en flock fåglar, där kollektivet verkar ha sin egen personlighet och beteende, härrörande från de element och sätt som de interagerar med. Det tidiga livet kommunicerades genom genöverföring.
Hur vet du?
”Vi kan förklara en så snabb och optimal utveckling av livet endast om vi tillåter effekten av detta” tidiga nätverk”och inte [släktträdet]. För cirka tio år sedan upptäckte vi att denna teori gäller för den genetiska koden, för reglerna som säger cellen vilka aminosyror som ska användas för att göra protein. Varje organisme på planeten har samma genetiska kod med minimala skillnader.
På 1960-talet var Karl den första som kom med tanken att den genetiska koden vi har är så bra som möjligt för att minimera fel. Även om du får fel aminosyra på grund av en mutation eller ett misstag i den cellulära transportmekanismen, kommer den genetiska koden exakt att bestämma den aminosyran du ska få. Så du har fortfarande en chans att proteinet du producerar kommer att fungera och din kropp inte dör.
David Haig (Harvard) och Lawrence Hirst (University of Bath) var de första som demonstrerade att denna idé kan kvalitativt utvärderas med hjälp av Monte Carlo-metoden: de försökte ta reda på vars genetiska kod är mest resistent mot denna typ av fel. Och vi blev själv svaret. Detta är verkligen en häpnadsväckande upptäckt, men inte så utbredd som den borde vara.
Senare utförde Karl och jag tillsammans med Kalin Vestigian (University of Wisconsin i Madison) virtuella simuleringar av grupper av organismer med många artificiella, hypotetiska genetiska koder. Vi skapade datavirusmodeller som efterliknade levande system: de hade ett genom, uttryckte proteiner, de kunde reproducera sig själva, överleva val och deras anpassningsförmåga var en funktion av deras egna proteiner.
Vi fann att inte bara deras genom utvecklades. Deras genetiska år utvecklades också. När det gäller vertikal utveckling (mellan generationer) blir den genetiska koden aldrig unik eller optimal. Men när det gäller effekten av det "kollektiva nätverket" utvecklas den genetiska koden snabbt till det unika optimala tillstånd som vi observerar idag.
Dessa fynd, och frågor om hur livet kunde ha förvärvat dessa genetiska koder så snabbt, tyder på att vi borde se tecken på horisontell genöverföring tidigare än till exempel i Last Universal Common Ancestor. Och vi ser dem: några av enzymerna som är förknippade med huvudmekanismen för cellöversättning och genuttryck visar starka bevis för tidig horisontell genöverföring.
Hur kan du lita på dessa slutsatser?
- Tommaso Biancalani och jag (nu på MIT) genomförde en studie för ungefär ett år sedan - vår artikel publicerades om honom - att livet automatiskt stänger av horisontell genöverföring så snart det blev tillräckligt komplicerat. När vi simulerar denna process stängs den i princip av sig själv. Försök görs för att genomföra horisontell genöverföring, men nästan ingenting slår rot. Då är den enda dominerande evolutionära mekanismen vertikal evolution, som alltid har varit närvarande. Vi försöker nu göra experiment för att se om kärnan helt har gjort övergången från horisontell till vertikal överföring.
Är det på grund av denna strategi för tidig utveckling som du sa att vi borde tala annorlunda om biologi?
Folk tenderar att tänka på evolution som synonymt med befolkningsgenetik. Jag tror att detta i princip är korrekt. Men inte riktigt. Evolution ägde rum redan innan gener fanns, och detta kan inte förklaras med statistiska modeller av populationsgenetik. Det finns kollektiva utvecklingssätt som också måste tas på allvar (till exempel processer som horisontell genöverföring).
Det är i denna mening vår förståelse av evolutionen som en process är för smal. Vi måste tänka på dynamiska system och hur det är möjligt att system som kan utvecklas och reproduceras överhuvudtaget. När du tänker på den fysiska världen är det inte uppenbart varför du bara inte gör fler döda saker.
Varför har planeten förmågan att stödja livet? Varför existerar livet ens? Evolutionsdynamiken borde kunna lösa denna fråga. Det är anmärkningsvärt att vi inte ens har en uppfattning om hur vi löser problemet. Och med tanke på att livet började som något fysiskt, inte biologiskt, uttrycker han ett fysiskt intresse.
Hur passar ditt arbete med cyanobakterier in i tillämpningen av teorin om kondenserad substans?
- Min doktorand Hong-Yang Shi och jag modellerade ett ekosystem av en organisme som heter Prochlorococcus, ett cyanobakterium som lever i havet och använder fotosyntes. Jag tror att denna organisme kan vara den vanligaste cellulära organismen på planeten.
Det finns virus, "fager" som byter bakterier. För ett decennium sedan upptäckte forskare att dessa fager också har gener för fotosyntes. Du brukar inte tänka på ett virus som någon som behöver fotosyntes. Varför bär de dessa gener?
”Det verkar som att bakterier och fager inte uppträder exakt som en rovdjursmodell. Bakterier gynnar fager. Faktum är att bakterier kan förhindra att fager attackerar dem på olika sätt, men de gör det inte, åtminstone inte helt. Fagfotosyntetiska gener kom ursprungligen från bakterier - och överraskande överförde fagerna dem sedan tillbaka till bakterierna. Under de senaste 150 miljoner åren har fotosyntetiska gener flyttats mellan bakterier och fager flera gånger.
Det visar sig att gener utvecklas mycket snabbare i virus än i bakterier, eftersom replikationsprocessen för virus är mycket kortare och mer benägna att göra misstag (replikering är processen att syntetisera en dottermolekyl av deoxyribonukleinsyra på mallen för moder-DNA-molekylen - inte mer).
Som en bieffekt av fagjakt på bakterier, bärs bakterier gener ibland till virus, där de kan spridas, utvecklas snabbt och sedan återgå till bakterier, som sedan kan dra nytta av det. Därför var fager fördelaktiga för bakterier. Till exempel finns det två stammar av Prochlorococcus som lever på olika djup. En av dessa ekotyper är anpassade för att leva närmare ytan, där ljuset är mycket mer intensivt, och skillnaden i dess frekvenser är större. Denna anpassning kan bero på att virus har utvecklats snabbt.
Virus drar också nytta av gener. När ett virus infekterar en värd och replikerar sig själv beror antalet nya virus som det skapar på hur länge den fångade cellen kan överleva. Om viruset bär livssupportsystemet (gener för fotosyntes) kan det hålla cellen längre för att göra fler kopior av viruset.
Ett virus som bär gener för fotosyntes har en konkurrensfördel jämfört med ett som inte gör det. Det finns avelspress på virus för att överföra gener som gynnar värden. Du kan förvänta dig att eftersom virus muteras så snabbt kommer deras gener snabbt att "brytas ned". Men som ett resultat av beräkningar fann vi att bakterier filtrerar "bra" gener och överför dem till virus.
Därför är detta en söt historia: samverkan mellan dessa bakterier och virus liknar beteendet hos ett ämne i kondenserat tillstånd - detta system kan modelleras för att förutsäga dess egenskaper.
Vi pratade om en fysisk inställning till biologi. Har du sett det motsatta när biologi inspirerade fysik?
- Ja. Jag arbetar med turbulens. När jag återvänder hem är det hon som håller mig vaken på natten. I en artikel som publicerades förra året i Nature Physics, ville Hong-Yan Shin, Tsung-Ling Sheng och jag förklara i detalj hur en vätska i ett rör går från ett plasttillstånd, där det flyter smidigt och förutsägbart, till ett tillstånd av turbulens, där dess beteende är oförutsägbart. och fel.
Vi konstaterade att turbulensen före övergången uppträder som ett ekosystem. Det finns en speciell dynamisk regim av vätskeflöde, liknande en rovdjur: den försöker "äta" turbulens, och interaktionen mellan denna regim och den resulterande turbulensen leder till några av de fenomen som du ser när vätskan blir turbulent.
I slutändan antar vårt arbete att en viss typ av fasövergång inträffar i vätskor, och det är detta som experiment bekräftar. Eftersom fysikproblemet visade sig vara lämpligt för att lösa detta biologiska problem - om förhållandet rovdjur och rov - visste Hong-Yan och jag hur man imiterar och simulerar ett system och reproducerar vad folk ser i experiment. Att veta biologi hjälpte oss verkligen att förstå fysik.
Finns det några begränsningar för den fysiska inställningen till biologi?
- Det finns en risk att endast upprepa det som är känt, så du kan inte göra några nya förutsägelser. Men ibland blir din abstraktion eller minimala representation förenklad och du tappar något i processen.
Du kan inte tänka för teoretiskt. Du bör rulla upp ärmarna för att studera biologi, vara nära kopplad till verkliga experimentella fenomen och verkliga data.
Det är därför vårt arbete utförs i samarbete med experter: tillsammans med kollegor samlade jag mikrober från de varma källorna i Yellowstone National Park, såg de "hoppande" generna i levande celler i realtid, sekvensbestämd (sekvensbestämning - bestämning av aminosyran eller nukleotidsekvensen - ca. - tarmmikrobiom hos ryggradsdjur. Varje dag arbetar jag på Institute of Genomic Biology, även om fysik är mitt "infödda" område.
Jordana Cepelewicz
Översättningen genomfördes av projektet Nytt