Der Physiker Nigel Goldenfeld hasst die Biologie: „Zumindest nicht in der Form, in der ich sie in der Schule gelernt habe“, sagt er. „Es war wie eine Vielzahl von Fakten. Es gab praktisch keine genaue quantitative Analyse. Diese Einstellung könnte jeden überraschen, der sich die vielen Projekte ansieht, an denen Goldenfelds Labor arbeitet.
Er und seine Kollegen überwachen das kollektive und individuelle Verhalten von Honigbienen, analysieren Biofilme, beobachten das Springen von Genen, bewerten die Vielfalt der Lebensformen in Ökosystemen und untersuchen die Beziehung von Mikrobiomen.
Goldenfeld ist Leiter des Astrobiologie-Instituts für Allgemeine Biologie der NASA, verbringt jedoch nicht die meiste Zeit in der Physikabteilung der Universität von Illinois, sondern in seinem biologischen Labor auf dem Campus in Urbana-Champaign.
Nigel Goldenfeld ist nicht der einzige Physiker, der versucht, Probleme in der Biologie zu lösen. In den 1930er Jahren änderte Max Delbrück das Konzept der Viren. Später veröffentlichte Erwin Schrödinger Was ist das Leben? Der physische Aspekt einer lebenden Zelle “. Francis Crick, ein Pionier der Röntgenkristallographie, half dabei, die Struktur der DNA aufzudecken.
Goldenfeld möchte von seinen Kenntnissen der Theorie der kondensierten Materie profitieren. Bei der Untersuchung dieser Theorie simuliert er die Entwicklung einer Probe in einem dynamischen physikalischen System, um verschiedene Phänomene (Turbulenzen, Phasenübergänge, Merkmale geologischer Gesteine, Finanzmarkt) besser zu verstehen.
Das Interesse am entstehenden Zustand der Materie führte die Physiker zu einem der größten Geheimnisse der Biologie - dem Ursprung des Lebens selbst. Aus dieser Aufgabe heraus entwickelte sich der aktuelle Zweig seiner Forschung.
"Physiker können Fragen anders stellen", ist Goldenfeld überzeugt. „Meine Motivation war es immer, in der Biologie nach Bereichen zu suchen, in denen ein solcher Ansatz sinnvoll wäre. Aber um erfolgreich zu sein, müssen Sie mit Biologen zusammenarbeiten und selbst einer werden. Physik und Biologie werden gleichermaßen benötigt."
Quanta sprach mit Goldenfeld über kollektive Phänomene in der Physik und die Erweiterung der synthetischen Evolutionstheorie. Sie diskutierten auch die Verwendung quantitativer und theoretischer Werkzeuge aus der Physik, um den Schleier des Mysteriums zu lüften, der das frühe Leben auf der Erde umgibt, und die Wechselwirkungen zwischen Cyanobakterien und Raubviren. Das Folgende ist eine Zusammenfassung dieser Konversation.
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Die Physik hat eine grundlegende konzeptionelle Struktur, die Biologie nicht. Versuchen Sie eine allgemeine Theorie der Biologie zu entwickeln?
„Gott natürlich nicht. In der Biologie gibt es keine einzige Theorie. Evolution ist das Nächste, was Sie dazu bringen können. Die Biologie selbst ist das Ergebnis der Evolution; Das Leben in seiner ganzen Vielfalt und ausnahmslos hat sich als Ergebnis der Evolution entwickelt. Es ist notwendig, die Evolution wirklich als einen Prozess zu verstehen, um die Biologie zu verstehen.
Wie können kollektive Effekte aus dem Bereich der Physik unser Verständnis der Evolution ergänzen?
Wenn Sie an Evolution denken, neigen Sie normalerweise dazu, über Populationsgenetik nachzudenken, über die Wiederholung von Genen in einer Population. Wenn Sie sich jedoch den letzten universellen gemeinsamen Vorfahren ansehen (den Ahnenorganismus aller anderen Organismen, die wir durch die Phylogenetik verfolgen können), werden Sie verstehen, dass dies nicht der Anfang des Ursprungs des Lebens ist.
Davor gab es definitiv eine noch einfachere Lebensform - eine Form, die nicht einmal Gene besaß, als es noch keine Spezies gab. Wir wissen, dass Evolution ein viel umfassenderes Phänomen ist als die Populationsgenetik.
Der letzte universelle gemeinsame Vorfahr lebte vor 3,8 Milliarden Jahren. Der Planet Erde ist 4,6 Milliarden Jahre alt. Das Leben selbst ist in weniger als einer Milliarde Jahren vom Beginn bis zur Komplexität der modernen Zelle gereist. Wahrscheinlich sogar noch schneller: Seitdem sind relativ wenige Entwicklungen in der Entwicklung der Zellstruktur aufgetreten. Es stellt sich heraus, dass die Evolution in den letzten 3,5 Milliarden Jahren langsam war, aber am Anfang sehr schnell. Warum hat sich das Leben so schnell entwickelt?
Karl Woese (Biophysiker, gestorben 2012) und ich glaubten, dass die Entwicklung anfangs anders verlief. In unserer Zeit entwickelt sich das Leben durch "vertikale" Vererbung: Sie geben Ihre Gene an Ihre Kinder weiter, diese wiederum an ihre Kinder und so weiter. Der "horizontale" Gentransfer erfolgt zwischen Organismen, die nicht miteinander verbunden sind.
Dies geschieht jetzt bei Bakterien und anderen Organismen mit Genen, die für die Zellstruktur nicht sehr wichtig sind. Zum Beispiel Gene, die gegen Antibiotika resistent sind - dank ihnen erhalten Bakterien so schnell Schutz vor Medikamenten. In den frühen Lebensphasen wurde jedoch sogar der Grundmechanismus der Zelle horizontal übertragen.
Zuvor war das Leben ein kumulativer Zustand und eher eine durch den Genaustausch eng verbundene Gemeinschaft als nur eine Sammlung einzelner Formen. Es gibt viele andere Beispiele für kollektive Zustände, wie eine Bienenkolonie oder einen Vogelschwarm, in denen das Kollektiv seine eigene Persönlichkeit und sein eigenes Verhalten zu haben scheint, die sich aus den Elementen und der Art und Weise ihrer Interaktion ergeben. Das frühe Leben wurde durch Gentransfer kommuniziert.
Woher weißt du das?
„Wir können eine so schnelle und optimale Entwicklung des Lebens nur erklären, wenn wir die Wirkung dieses„ frühen Netzwerks “und nicht des [Stamm-] Baums zulassen. Vor ungefähr 10 Jahren entdeckten wir, dass diese Theorie für den genetischen Code gilt, für die Regeln, die der Zelle mitteilen, welche Aminosäuren zur Herstellung von Protein verwendet werden sollen. Jeder Organismus auf dem Planeten hat den gleichen genetischen Code mit minimalen Unterschieden.
In den 1960er Jahren kam Karl als erster auf die Idee, dass der genetische Code, den wir besitzen, so gut wie möglich ist, um Fehler zu minimieren. Selbst wenn Sie aufgrund einer Mutation oder eines Fehlers im zellulären Transportmechanismus die falsche Aminosäure erhalten, bestimmt der genetische Code genau die Aminosäure, die Sie erhalten sollten. Sie haben also immer noch die Chance, dass das von Ihnen produzierte Protein funktioniert und Ihr Körper nicht stirbt.
David Haig (Harvard) und Lawrence Hirst (University of Bath) zeigten als erste, dass diese Idee mit der Monte-Carlo-Methode qualitativ bewertet werden kann: Sie versuchten herauszufinden, wessen genetischer Code gegen diese Art von Fehler am resistentesten ist. Und wir selbst wurden die Antwort. Dies ist wirklich eine überraschende Entdeckung, aber nicht so weit verbreitet, wie es sein sollte.
Später führten Karl und ich zusammen mit Kalin Vestigian (Universität von Wisconsin in Madison) virtuelle Simulationen von Gruppen von Organismen mit vielen künstlichen, hypothetischen genetischen Codes durch. Wir haben Computervirusmodelle erstellt, die lebende Systeme imitieren: Sie hatten ein Genom, exprimierten Proteine, konnten sich selbst reproduzieren, die Selektion überleben und ihre Anpassungsfähigkeit war eine Funktion ihrer eigenen Proteine.
Wir fanden heraus, dass sich nicht nur ihre Genome entwickelten. Ihr genetisches Jahr entwickelte sich ebenfalls. Wenn es um die vertikale Evolution (zwischen den Generationen) geht, wird der genetische Code niemals eindeutig oder optimal. Aber wenn es um den "kollektiven Netzwerkeffekt" geht, entwickelt sich der genetische Code schnell zu dem einzigartigen optimalen Zustand, den wir heute beobachten.
Diese Ergebnisse und Fragen darüber, wie das Leben diese genetischen Codes so schnell hätte erwerben können, legen nahe, dass wir Anzeichen eines horizontalen Gentransfers früher als beispielsweise im letzten universellen gemeinsamen Vorfahren sehen sollten. Und wir sehen sie: Einige der Enzyme, die mit dem Hauptmechanismus der Zelltranslation und Genexpression assoziiert sind, zeigen starke Hinweise auf einen frühen horizontalen Gentransfer.
Wie können Sie sich auf diese Schlussfolgerungen verlassen?
- Tommaso Biancalani und ich (jetzt am MIT) haben vor etwa einem Jahr eine Studie durchgeführt - unser Artikel wurde über ihn veröffentlicht -, dass das Leben den horizontalen Gentransfer automatisch ausschaltet, sobald es kompliziert genug wird. Wenn wir diesen Prozess simulieren, wird er im Grunde genommen von selbst heruntergefahren. Es wird versucht, einen horizontalen Gentransfer durchzuführen, aber fast nichts wurzelt. Dann ist der einzige dominante Evolutionsmechanismus die vertikale Evolution, die immer vorhanden war. Wir versuchen nun, Experimente durchzuführen, um festzustellen, ob der Kernel den Übergang von der horizontalen zur vertikalen Übertragung vollständig geschafft hat.
Aufgrund dieser Herangehensweise an die frühe Evolution haben Sie gesagt, wir sollten anders über Biologie sprechen?
Die Menschen neigen dazu, Evolution als Synonym für Populationsgenetik zu betrachten. Ich denke, das ist im Prinzip richtig. Aber nicht wirklich. Die Evolution fand bereits vor der Existenz von Genen statt, und dies kann nicht durch statistische Modelle der Populationsgenetik erklärt werden. Es gibt kollektive Evolutionswege, die ebenfalls ernst genommen werden müssen (z. B. Prozesse wie der horizontale Gentransfer).
In diesem Sinne ist unser Verständnis der Evolution als Prozess zu eng. Wir müssen über dynamische Systeme nachdenken und darüber, wie es möglich ist, dass Systeme, die sich entwickeln und reproduzieren können, überhaupt existieren können. Wenn Sie an die physische Welt denken, ist es nicht offensichtlich, warum Sie einfach nicht mehr tote Dinge tun.
Warum hat der Planet die Fähigkeit, das Leben zu unterstützen? Warum existiert das Leben überhaupt? Die Dynamik der Evolution sollte in der Lage sein, dieses Problem zu lösen. Es ist bemerkenswert, dass wir nicht einmal eine Idee haben, wie dieses Problem behoben werden kann. Und da das Leben als etwas Physisches begann, nicht als etwas Biologisches, drückt er ein physisches Interesse aus.
Wie passt Ihre Arbeit an Cyanobakterien in die Anwendung der Theorie der kondensierten Materie?
- Mein Doktorand Hong-Yang Shi und ich haben ein Ökosystem eines Organismus namens Prochlorococcus modelliert, ein Cyanobakterium, das im Ozean lebt und Photosynthese verwendet. Ich denke, dieser Organismus ist möglicherweise der am häufigsten vorkommende zelluläre Organismus auf dem Planeten.
Es gibt Viren, "Phagen", die Bakterien jagen. Vor einem Jahrzehnt entdeckten Wissenschaftler, dass diese Phagen auch Gene für die Photosynthese besitzen. Sie denken normalerweise nicht an einen Virus als jemanden, der Photosynthese benötigt. Warum tragen sie dann diese Gene?
„Es scheint, dass sich Bakterien und Phagen nicht genau wie ein Raubtier-Beutemodell verhalten. Bakterien kommen Phagen zugute. Tatsächlich könnten Bakterien verhindern, dass Phagen sie auf verschiedene Weise angreifen, aber zumindest nicht vollständig. Photosynthetische Phagengene stammten ursprünglich von Bakterien - und überraschenderweise übertrugen die Phagen sie dann zurück auf die Bakterien. In den letzten 150 Millionen Jahren haben sich die Gene für die Photosynthese mehrmals zwischen Bakterien und Phagen bewegt.
Es stellt sich heraus, dass sich Gene in Viren viel schneller entwickeln als in Bakterien, da der Replikationsprozess für Viren viel kürzer ist und eher Fehler verursacht (Replikation ist der Prozess der Synthese eines Tochtermoleküls von Desoxyribonukleinsäure auf der Matrize des Eltern-DNA-Moleküls - nicht mehr).
Als Nebeneffekt der Phagenjagd auf Bakterien werden Bakteriengene manchmal in Viren übertragen, wo sie sich ausbreiten, sich schnell entwickeln und dann zu Bakterien zurückkehren können, die dann davon profitieren können. Daher waren Phagen für Bakterien vorteilhaft. Zum Beispiel gibt es zwei Prochlorococcus-Stämme, die in unterschiedlichen Tiefen leben. Einer dieser Ökotypen ist so angepasst, dass er näher an der Oberfläche lebt, wo das Licht viel intensiver ist und der Unterschied in seinen Frequenzen größer ist. Diese Anpassung kann auf die Tatsache zurückzuführen sein, dass sich Viren schnell entwickelt haben.
Viren profitieren auch von Genen. Wenn ein Virus einen Wirt infiziert und sich selbst repliziert, hängt die Anzahl der neuen Viren davon ab, wie lange die erfasste Zelle überleben kann. Wenn das Virus das lebenserhaltende System (Gene für die Photosynthese) trägt, kann es die Zelle länger halten, um mehr Kopien des Virus zu erstellen.
Ein Virus, das Gene für die Photosynthese trägt, hat einen Wettbewerbsvorteil gegenüber einem Virus, das dies nicht tut. Viren stehen unter Druck, Gene zu übertragen, die dem Wirt zugute kommen. Sie würden erwarten, dass Viren, weil sie so schnell mutieren, ihre Gene schnell "abbauen". Als Ergebnis von Berechnungen stellten wir jedoch fest, dass Bakterien "gute" Gene filtern und auf Viren übertragen.
Daher ist dies eine nette Geschichte: Die Wechselwirkung dieser Bakterien und Viren ähnelt dem Verhalten einer Substanz in einem kondensierten Zustand - dieses System kann modelliert werden, um seine Eigenschaften vorherzusagen.
Wir haben über einen physikalischen Ansatz zur Biologie gesprochen. Haben Sie das Gegenteil gesehen, als die Biologie die Physik inspirierte?
- Ja. Ich arbeite an Turbulenzen. Wenn ich nach Hause komme, hält sie mich nachts wach. In einem Artikel, der letztes Jahr in Nature Physics veröffentlicht wurde, wollten Hong-Yan Shin, Tsung-Lin Sheng und ich detailliert erklären, wie eine Flüssigkeit in einem Rohr von einem plastischen Zustand, in dem sie reibungslos und vorhersehbar fließt, in einen turbulenten Zustand übergeht, in dem ihr Verhalten unvorhersehbar ist. und falsch.
Wir haben festgestellt, dass sich Turbulenzen vor dem Übergang wie ein Ökosystem verhalten. Es gibt ein spezielles dynamisches Regime des Flüssigkeitsflusses, ähnlich einem Raubtier: Es versucht, Turbulenzen zu "fressen", und die Wechselwirkung zwischen diesem Regime und den daraus resultierenden Turbulenzen führt zu einigen der Phänomene, die Sie sehen, wenn das Fluid turbulent wird.
Letztendlich gehen wir davon aus, dass in Flüssigkeiten eine bestimmte Art von Phasenübergang auftritt, und dies bestätigen Experimente. Da sich das Problem der Physik als geeignet erwies, dieses biologische Problem zu lösen - über das Verhältnis von Raubtier und Beute -, wussten Hong-Yan und ich, wie man ein System nachahmt und simuliert und reproduziert, was Menschen in Experimenten sehen. Die Kenntnis der Biologie hat uns wirklich geholfen, die Physik zu verstehen.
Gibt es irgendwelche Einschränkungen für die physikalische Herangehensweise an die Biologie?
- Es besteht die Gefahr, nur das zu wiederholen, was bekannt ist, sodass Sie keine neuen Vorhersagen treffen können. Aber manchmal wird Ihre Abstraktion oder minimale Darstellung vereinfacht und Sie verlieren dabei etwas.
Sie können nicht zu theoretisch denken. Sie sollten die Ärmel hochkrempeln, um Biologie zu studieren, eng mit realen experimentellen Phänomenen und realen Daten verbunden sein.
Deshalb wird unsere Arbeit in Zusammenarbeit mit Experimentatoren durchgeführt: Zusammen mit Kollegen sammelte ich Mikroben aus den heißen Quellen des Yellowstone-Nationalparks, beobachtete die "springenden" Gene in lebenden Zellen in Echtzeit, sequenziert (Sequenzierung - Bestimmung der Aminosäure- oder Nukleotidsequenz - ca. - Darmmikrobiom von Wirbeltieren. Jeden Tag arbeite ich am Institut für Genombiologie, obwohl die Physik mein "Heimatgebiet" ist.
Jordana Cepelewicz
Die Übersetzung wurde vom Projekt New durchgeführt
