Ahli fizik Nigel Goldenfeld membenci biologi: "Paling tidak dalam bentuk di mana saya diajarkan di sekolah," katanya. “Itu seperti sekumpulan fakta yang menggegarkan. Tidak ada analisis kuantitatif yang tepat. " Sikap ini mungkin mengejutkan sesiapa sahaja yang melihat banyak projek yang sedang diusahakan oleh makmal Goldenfeld.
Dia dan rakannya memantau tingkah laku lebah madu secara kolektif dan individu, menganalisis biofilm, memerhatikan gen melompat, menilai kepelbagaian kehidupan dalam ekosistem, dan meneroka hubungan mikrobiom.
Goldenfeld adalah ketua Institut Astrobiologi untuk Biologi Umum NASA, tetapi dia juga menghabiskan sebahagian besar waktunya bukan di jurusan fizik di University of Illinois, tetapi di makmal biologi di kampus di Urbana-Champaign.
Nigel Goldenfeld bukan satu-satunya ahli fizik yang berusaha menyelesaikan masalah dalam biologi. Pada tahun 1930-an, Max Delbrück mengubah konsep virus. Kemudian Erwin Schrödinger menerbitkan What is Life? Aspek fizikal sel hidup”. Francis Crick, pelopor kristalografi sinar-X, membantu mengungkap struktur DNA.
Goldenfeld ingin memanfaatkan pengetahuannya mengenai teori jirim pekat. Dalam mempelajari teori ini, dia mensimulasikan pengembangan sampel dalam sistem fizikal yang dinamis untuk lebih memahami berbagai fenomena (pergolakan, peralihan fasa, ciri batuan geologi, pasaran kewangan).
Minat terhadap keadaan jirim yang muncul membawa ahli fizik ke salah satu misteri biologi terbesar - asal usul kehidupan itu sendiri. Dari tugas inilah barulah penyelidikannya berkembang.
"Ahli fizik boleh mengajukan soalan dengan cara yang berbeza," Goldenfeld yakin. "Motivasi saya selalu mencari bidang biologi di mana pendekatan seperti itu masuk akal. Tetapi untuk berjaya, anda perlu bekerjasama dengan ahli biologi dan, sebenarnya, menjadi diri anda sendiri. Fizik dan biologi sama-sama diperlukan."
Quanta bercakap dengan Goldenfeld mengenai fenomena kolektif dalam fizik dan pengembangan teori evolusi sintetik. Mereka juga membincangkan penggunaan alat kuantitatif dan teori dari fizik untuk mengangkat tabir misteri yang mengelilingi kehidupan awal di Bumi dan interaksi antara cyanobacteria dan virus pemangsa. Berikut adalah ringkasan perbualan ini.
Video promosi:
Fizik mempunyai struktur konsep asas, sementara biologi tidak. Adakah anda cuba mengembangkan teori umum biologi?
Tuhan, tentu saja tidak. Tidak ada teori tunggal dalam biologi. Evolusi adalah perkara paling dekat yang boleh anda bawa kepadanya. Biologi itu sendiri adalah hasil evolusi; kehidupan dalam semua kepelbagaian dan tanpa terkecuali telah berkembang sebagai hasil evolusi. Adalah perlu untuk benar-benar memahami evolusi sebagai proses untuk memahami biologi.
Bagaimana kesan kolektif dari bidang fizik dapat melengkapkan pemahaman kita tentang evolusi?
Apabila anda memikirkan evolusi, anda biasanya cenderung memikirkan genetik populasi, tentang pengulangan gen dalam populasi. Tetapi jika anda melihat Leluhur Umum Sejagat Terakhir (organisma nenek moyang dari semua organisma lain, yang dapat kita jejak melalui filogenetik), anda akan memahami bahawa ini bukanlah permulaan awal kehidupan.
Sebelum itu, pasti ada bentuk kehidupan yang lebih sederhana - bentuk yang bahkan tidak mempunyai gen ketika belum ada spesies. Kita tahu bahawa evolusi adalah fenomena yang jauh lebih luas daripada genetik penduduk.
Nenek moyang bersama sejagat terakhir hidup 3.8 bilion tahun yang lalu. Planet Bumi berumur 4.6 bilion tahun. Kehidupan itu sendiri telah berjalan dari awal hingga kerumitan sel moden dalam masa kurang dari satu bilion tahun. Mungkin lebih pantas: sejak itu, sedikit perkembangan yang berlaku dalam evolusi struktur sel. Ternyata evolusi perlahan sejak 3,5 miliar tahun yang lalu, tetapi pada awalnya sangat pantas. Mengapa kehidupan berkembang begitu pesat?
Karl Woese (ahli biofisik, meninggal 2012) dan saya percaya bahawa pada awalnya perkembangannya berlaku secara berbeza. Pada zaman kita, kehidupan berkembang melalui warisan "menegak": anda mewariskan gen anda kepada anak-anak anda, mereka seterusnya, kepada anak-anak mereka, dan sebagainya. Pemindahan gen "mendatar" dilakukan antara organisma yang tidak saling berhubungan antara satu sama lain.
Ini sekarang berlaku pada bakteria dan organisma lain dengan gen yang tidak begitu penting dalam struktur sel. Contohnya, gen yang memberi ketahanan terhadap antibiotik - terima kasih kepada mereka, bakteria memperoleh perlindungan dari ubat dengan cepat. Namun, pada fasa awal kehidupan, bahkan mekanisme dasar sel disebarkan secara mendatar.
Sebelum ini, kehidupan adalah keadaan kumulatif dan lebih merupakan komuniti yang rapat dengan pertukaran gen daripada sekumpulan bentuk individu. Terdapat banyak contoh lain dari keadaan kolektif, seperti koloni lebah atau kawanan burung, di mana kumpulan itu nampaknya mempunyai keperibadian dan tingkah laku tersendiri, yang timbul dari unsur dan cara mereka berinteraksi. Kehidupan awal disampaikan melalui pemindahan gen.
Bagaimana anda tahu?
"Kita dapat menjelaskan perkembangan kehidupan yang pesat dan optimum hanya jika kita membiarkan kesan" jaringan awal "ini dan bukan pohon [keluarga]. Kira-kira 10 tahun yang lalu, kami mendapati bahawa teori ini berlaku untuk kod genetik, pada peraturan yang memberitahu sel mana asam amino yang akan digunakan untuk membuat protein. Setiap organisma di planet ini mempunyai kod genetik yang sama dengan perbezaan minimum.
Pada tahun 1960-an, Karl adalah yang pertama muncul dengan idea bahawa kod genetik yang kita miliki sebaik mungkin untuk mengurangkan kesalahan. Walaupun anda mendapat asid amino yang salah kerana mutasi atau kesalahan dalam mekanisme pengangkutan selular, kod genetik akan menentukan asid amino yang harus anda terima dengan tepat. Jadi, anda masih berpeluang protein yang anda hasilkan berfungsi dan badan anda tidak akan mati.
David Haig (Harvard) dan Lawrence Hirst (University of Bath) adalah orang pertama yang menunjukkan bahawa idea ini dapat dinilai secara kualitatif menggunakan kaedah Monte Carlo: mereka berusaha untuk mengetahui kod genetik yang paling tahan terhadap kesalahan seperti ini. Dan kita sendiri menjadi jawapannya. Ini benar-benar penemuan yang mengejutkan, tetapi tidak seluas yang sepatutnya.
Kemudian, Karl dan saya, bersama dengan Kalin Vestigian (University of Wisconsin di Madison), melakukan simulasi maya kumpulan organisma dengan banyak kod genetik buatan, hipotesis. Kami mencipta model virus komputer yang meniru sistem hidup: mereka mempunyai genom, protein yang dinyatakan, mereka dapat menghasilkan semula diri, bertahan dalam pemilihan, dan kemampuan menyesuaikannya adalah fungsi protein mereka sendiri.
Kami mendapati bahawa bukan sahaja genom mereka berkembang. Tahun genetik mereka juga berkembang. Ketika datang ke evolusi menegak (antara generasi), kod genetik tidak pernah menjadi unik atau optimum. Tetapi ketika datang ke kesan "jaringan kolektif", maka kod genetik dengan cepat berkembang menjadi keadaan optimum unik yang kita perhatikan hari ini.
Penemuan ini, dan persoalan mengenai bagaimana kehidupan dapat memperoleh kod genetik ini dengan begitu cepat, menunjukkan bahawa kita seharusnya melihat tanda-tanda pemindahan gen mendatar lebih awal daripada pada Leluhur Biasa Universal Terakhir, misalnya. Dan kita melihatnya: beberapa enzim yang dikaitkan dengan mekanisme utama terjemahan sel dan ekspresi gen menunjukkan bukti kuat untuk pemindahan gen mendatar awal.
Bagaimana anda boleh bergantung pada kesimpulan ini?
- Tommaso Biancalani dan saya (sekarang di MIT) melakukan kajian sekitar setahun yang lalu - artikel kami diterbitkan mengenai dia - bahawa hidup secara automatik mematikan pemindahan gen mendatar sebaik sahaja menjadi cukup rumit. Apabila kita mensimulasikan proses ini, pada dasarnya ia akan berhenti dengan sendirinya. Percubaan dilakukan untuk melakukan pemindahan gen mendatar, tetapi hampir tidak ada yang berakar umbi. Maka satu-satunya mekanisme evolusi yang dominan adalah evolusi menegak, yang selalu ada. Kami sekarang berusaha melakukan eksperimen untuk melihat apakah kernel telah sepenuhnya melakukan peralihan dari transmisi mendatar ke menegak.
Adakah kerana pendekatan evolusi awal ini, anda mengatakan bahawa kita harus bercakap berbeza mengenai biologi?
Orang cenderung menganggap evolusi sebagai sinonim dengan genetik penduduk. Saya fikir ini, pada dasarnya, betul. Tetapi sebenarnya tidak. Evolusi berlaku sebelum gen wujud, dan ini tidak dapat dijelaskan oleh model statistik genetik populasi. Terdapat cara evolusi kolektif yang juga perlu diberi perhatian serius (sebagai contoh, proses seperti pemindahan gen mendatar).
Dengan pengertian ini, pemahaman kita tentang evolusi sebagai proses terlalu sempit. Kita perlu memikirkan sistem dinamik dan bagaimana mungkin sistem yang mampu membangun dan menghasilkan semula mampu wujud sama sekali. Apabila anda berfikir tentang dunia fizikal, tidak jelas mengapa anda tidak melakukan lebih banyak perkara mati.
Mengapa planet ini mempunyai kemampuan untuk menyokong kehidupan? Mengapa hidup ada? Dinamika evolusi seharusnya dapat menyelesaikan masalah ini. Perlu diperhatikan bahawa kita bahkan tidak mempunyai idea bagaimana menyelesaikan masalah ini. Dan memandangkan kehidupan bermula sebagai sesuatu yang fizikal, bukan biologi, dia menyatakan minat fizikal.
Bagaimana karya anda terhadap cyanobacteria sesuai dengan penerapan teori bahan pekat?
- Pelajar siswazah saya Hong-Yang Shi dan saya memodelkan ekosistem organisma yang disebut Prochlorococcus, cyanobacterium yang hidup di lautan dan menggunakan fotosintesis. Saya rasa organisma ini mungkin merupakan organisma selular yang paling banyak di planet ini.
Ada virus, "phages" yang menjadi mangsa bakteria. Satu dekad yang lalu, saintis mendapati bahawa fag ini juga mempunyai gen untuk fotosintesis. Anda biasanya tidak menganggap virus sebagai seseorang yang memerlukan fotosintesis. Lalu mengapa mereka membawa gen ini?
Nampaknya bakteria dan fag tidak berperilaku seperti model pemangsa. Bakteria memberi manfaat kepada fag. Sebenarnya, bakteria dapat mencegah phage menyerang mereka dengan pelbagai cara, tetapi tidak, sekurang-kurangnya tidak sepenuhnya. Gen fotosintesis fag pada asalnya berasal dari bakteria - dan, secara mengejutkan, fag kemudian memindahkannya kembali ke bakteria. Selama 150 juta tahun yang lalu, gen untuk fotosintesis telah berpindah antara bakteria dan fag beberapa kali.
Ternyata gen berkembang lebih cepat pada virus daripada pada bakteria, kerana proses replikasi untuk virus jauh lebih pendek dan cenderung melakukan kesalahan (replikasi adalah proses mensintesis molekul asid deoksiribonukleik anak perempuan pada templat molekul DNA induk - tidak lebih).
Sebagai kesan sampingan untuk memburu bakteria fag, gen bakteria kadang-kadang dibawa ke virus, di mana ia dapat menyebar, berkembang dengan cepat, dan kemudian kembali ke bakteria, yang kemudian dapat memanfaatkannya. Oleh itu, fag bermanfaat untuk bakteria. Contohnya, terdapat dua jenis Prochlorococcus yang hidup pada kedalaman yang berbeza. Salah satu ekotip ini disesuaikan untuk hidup lebih dekat ke permukaan, di mana cahaya jauh lebih kuat, dan perbezaan frekuensinya lebih besar. Penyesuaian ini mungkin disebabkan oleh fakta bahawa virus telah berkembang dengan cepat.
Virus juga mendapat manfaat daripada gen. Apabila virus menjangkiti host dan meniru dirinya sendiri, jumlah virus baru yang dihasilkannya bergantung pada berapa lama sel yang ditangkap dapat bertahan. Sekiranya virus membawa sistem sokongan hidup (gen untuk fotosintesis), ia dapat menyimpan sel lebih lama untuk membuat lebih banyak salinan virus.
Virus yang membawa gen untuk fotosintesis mempunyai kelebihan daya saing berbanding virus yang tidak. Terdapat tekanan pembiakan virus untuk memindahkan gen yang menguntungkan inang. Anda menjangkakan bahawa kerana virus bermutasi dengan begitu cepat, gen mereka akan "merosot" dengan cepat. Tetapi sebagai hasil pengiraan, kami mendapati bahawa bakteria menyaring gen "baik" dan memindahkannya ke virus.
Oleh itu, ini adalah kisah lucu: interaksi bakteria dan virus ini menyerupai tingkah laku bahan dalam keadaan pekat - sistem ini dapat dimodelkan untuk meramalkan sifatnya.
Kami bercakap mengenai pendekatan fizikal untuk biologi. Pernahkah anda melihat sebaliknya ketika biologi mengilhami fizik?
- Ya. Saya mengusahakan pergolakan. Apabila saya pulang ke rumah, dialah yang membuat saya terjaga pada waktu malam. Dalam artikel yang diterbitkan tahun lalu di Nature Physics, Hong-Yan Shin, Tsung-Ling Sheng dan saya ingin menerangkan secara terperinci bagaimana cecair dalam paip mengalir dari keadaan plastik, di mana ia mengalir dengan lancar dan dapat diramalkan, ke keadaan pergolakan, di mana tingkah lakunya tidak dapat diramalkan. dan salah.
Kami mendapati bahawa sebelum peralihan, pergolakan berperilaku seperti ekosistem. Terdapat rejim aliran bendalir dinamik khas, mirip dengan pemangsa: ia cuba "makan" pergolakan, dan interaksi antara rejim ini dan pergolakan yang dihasilkan membawa kepada beberapa fenomena yang anda lihat ketika bendalir bergelombang.
Pada akhirnya, karya kami mengandaikan bahawa jenis peralihan fasa tertentu berlaku dalam cecair, dan inilah yang disahkan oleh eksperimen. Oleh kerana masalah fizik ternyata sesuai untuk menyelesaikan masalah biologi ini - mengenai hubungan pemangsa dan mangsa - Hong-Yan dan saya tahu bagaimana meniru dan mensimulasikan sistem dan menghasilkan semula apa yang dilihat oleh orang dalam eksperimen. Mengetahui biologi sangat membantu kita memahami fizik.
Adakah batasan untuk pendekatan fizikal terhadap biologi?
- Terdapat bahaya mengulangi hanya yang diketahui, jadi anda tidak boleh membuat ramalan baru. Tetapi kadang-kadang pengambilan atau perwakilan minimum anda dipermudahkan dan anda kehilangan sesuatu dalam prosesnya.
Anda tidak boleh berfikir secara teori. Anda harus menggulung lengan baju untuk belajar biologi, berkait rapat dengan fenomena eksperimen dan data sebenar.
Itulah sebabnya kerja kami dijalankan bersama dengan eksperimen: bersama-sama dengan rakan sekerja, saya mengumpulkan mikroba dari sumber air panas di Taman Negara Yellowstone, menyaksikan gen "melompat" dalam sel hidup dalam masa nyata, diurutkan (urutan - menentukan urutan asid amino atau nukleotida - kira-kira baru) gastrointestinal - mikrobioma vertebrata usus. Setiap hari saya bekerja di Institut Biologi Genom, walaupun fizik adalah bidang "asli" saya.
Jordana Cepelewicz
Terjemahan dilakukan oleh projek Baru
