Физика, сокрытая в эволюции

Перевод осуществлен проектом Newочём

Физик Найджел Голденфельд терпеть не может биологию: «По крайней мере, в том виде, в котором мне преподавали ее в школе», — говорит он. «Это было похоже на бессвязный набор фактов. Точный количественный анализ практически отсутствовал». Подобное отношение может удивить любого, кто взглянет на множество проектов, над которыми работает лаборатория Голденфельда.

Он и его коллеги следят за коллективным и индивидуальным поведением медоносных пчел, анализируют биопленки, наблюдают за тем, как «прыгают» гены, оценивают многообразие форм жизни в экосистемах и исследуют взаимоотношения микробиомов.

Голденфельд — начальник Астробиологического института всеобщей биологии NASA, но при этом он проводит бóльшую часть своего времени не на кафедре физики в Иллинойском университете, а в своей биологической лаборатории на территории кампуса в Урбане-Шампейне.

Найджел Голденфельд — не единственный среди физиков, кто пытается решить вопросы биологии. В 1930-х годах Макс Дельбрюк изменил представление о вирусах. Позже Эрвин Шредингер опубликовал работу «Что есть Жизнь? Физический аспект живой клетки». Френсис Крик, первопроходец в области рентгеновской кристаллографии, помог раскрыть структуру ДНК.

Гольденфелд хочет извлечь пользу из своих познаний в теории конденсированных состояний. При изучении этой теории он моделирует развитие образца в динамической физической системе, чтобы лучше понять различные явления (турбулентность, фазовые переходы, особенности геологических пород, финансовый рынок).

Заинтересованность эмергентным состоянием материи привела физика к одной из величайших загадок биологии — происхождению самой жизни. Именно из этой задачи развилась нынешняя ветвь его исследований.

«Физики могут задавать вопросы по-другому», — убежден Голденфельд. «Моя мотивация всегда заключалась в том, чтобы искать в биологии области, где подобный подход имел бы смысл. Но чтобы преуспеть, нужно работать с биологами и, по сути, самому стать таковым. Физика и биология необходимы в равной степени».

Представитель журнала Quanta побеседовал с Голденфельдом о коллективных явлениях в физике и расширении синтетической теории эволюции. Они также обсудили использование количественных и теоретических средств из физики, чтобы приоткрыть завесу таинственности тайны, которая окружает раннюю жизнь на Земле и взаимодействие между цианобактериями и хищными вирусами. Далее следует сокращенное изложение этого разговора.

— В физике есть основная концептуальная структура, тогда как в биологии ее нет. Вы пытаетесь разработать всеобщую теорию биологии?

— Боже, конечно, нет. В биологии не существует единой теории. Эволюция — ближайшее, что вы можете под нее подвести. Сама биология — результат эволюции; жизнь во всем ее многообразии и без исключений развилась в результате эволюции. Необходимо действительно понимать эволюцию как процесс, чтобы понимать биологию.

— Как же коллективные эффекты из области физики могут дополнить наше представление об эволюции?

Когда вы думаете об эволюции, обычно вы склоняетесь к размышлениям о популяционной генетике, о повторяемости генов в популяции. Но если вы взглянете на Последнего универсального общего предка (организм-предок всех прочих организмов, которого мы можем отследить через филогенетику), то поймете, что это не самое начало зарождения жизни.

До этого определенно была ещё более простая форма жизни — форма, не обладавшая даже генами, когда ещё не было видов. Мы знаем, что эволюция — гораздо более обширный феномен, чем популяционная генетика.

Последний универсальный общий предок жил 3.8 миллиардов лет тому назад. Планете Земля 4.6 миллиарда лет. Сама жизнь проделала путь от зарождения до комплексности современной клетки меньше, чем за миллиард лет. Вероятно, даже быстрее: c тех пор в эволюции клеточной структуры произошло относительно мало событий. Получается, что эволюция протекала медленно в течение последних 3.5 миллиардов лет, но была очень быстрой в самом начале. Почему же жизнь развилась так стремительно?

Мы с Карлом Вёзе (биофизик, умер в 2012 году) полагали, что изначально развитие происходило иначе. В нашей эре жизнь эволюционирует посредством «вертикальной» наследственности: вы передаете свои гены детям, они, в свою очередь, — своим детям, и так далее. «Горизонтальная» же передача генов осуществляется между организмами, которые не связаны между собой.

Сейчас это происходит у бактерий и других организмов с генами, которые не очень важны в структуре клетки. Например, гены, которые дают сопротивление к антибиотикам — благодаря им бактерии приобретают защиту от лекарств так быстро. Однако в ранних фазах жизни даже основной механизм работы клетки передавался горизонтально.

Раньше жизнь была совокупным состоянием и представляла собой скорее тесно сплоченную генным обменом общность, чем просто совокупность индивидуальных форм. Существует много других примеров коллективных состояний: к примеру, колония пчел или стая птиц, где коллектив будто обладает своей собственной личностью и поведением, возникая из элементов и способов, с помощью которых они взаимодействуют. Ранняя жизнь сообщалась посредством генного переноса.

— Откуда вы знаете?

— Мы можем объяснить такой стремительный и оптимальный характер развития жизни, только если допустим эффект этой «ранней сети», а не [семейное] древо. Примерно 10 лет назад мы обнаружили, что эта теория применима к генетическому коду, к правилам, которые сообщают клетке, какие аминокислоты нужно использовать, чтобы получить протеин. Каждый организм на планете обладает одинаковым генетическим кодом с минимальными различиями.

В 1960-х Карл был первым, кого посетила идея, что генетический код, которым мы обладаем, подходит для минимизации ошибок настолько хорошо, насколько это только возможно. Даже если вы получите неправильную аминокислоту из-за мутации или из-за того, что клеточный переносный механизм совершил ошибку, генетический код точно определит ту аминокислоту, которую вы должны были бы получить. Так, у вас всё ещё есть шанс, что произведенный вами протеин будет функционировать, и ваш организм не погибнет.

Дэвид Хэйг (Гарвард) и Лоренс Херст (Университет Бата) были первыми, кто продемонстрировал, что эта идея может быть качественно оценена с помощью применения метода Монте-Карло: они пытались выяснить, чей генетический код наиболее устойчив к подобного рода ошибкам. И ответом стали мы сами. Это действительно потрясающее открытие, но оно не так широко, как должно бы быть.

Позже Карл и я, совместно с Калином Вестигианом (Висконсинский университет в Мадисоне), провели виртуальное моделирование групп организмов с множеством искусственных, гипотетических генетических кодов. Мы создали компьютерные вирусные модели, которые имитировали живые системы: у них был геном, выраженные протеины, они могли самовоспроизводиться, переживали селекцию, а их приспособляемость была функцией их собственных протеинов.

Мы выяснили, что эволюционировали не только их геномы. Их генетический год тоже развивался. Если говорить о вертикальной эволюции (между поколениями), генетический код никогда не становится уникальным или оптимальным. Но если речь идет о «коллективном сетевом» эффекте, то генетический код стремительно эволюционирует в уникальное оптимальное состояние, которое мы наблюдаем в наши дни.

Эти находки и вопросы о том, как жизнь могла получить эти генетические коды так быстро, предполагают, что мы должны видеть признаки горизонтальной передачи генов раньше, чем у Последнего универсального общего предка, к примеру. И мы видим их: некоторые из ферментов, которые связаны с главным механизмом клеточной трансляции и генной экспрессии, демонстрируют весомое доказательство ранней горизонтальной передачи генов.

— Как вы смогли опереться на эти выводы?— Мы с Томмазо Бьянкалани (сейчас он работает в Массачусетском технологическом институте) около года назад проводили исследование — наша статья о нем была опубликована — о том, что жизнь автоматически отключает перенос горизонтальных генов, как только она стала достаточно сложной. Когда мы имитируем этот процесс, он, в основном, отключается сам по себе. Делаются попытки совершить горизонтальный перенос генов, но почти ничего не приживается. Тогда единственным доминирующим эволюционным механизмом является вертикальная эволюция, которая присутствовала всегда. Сейчас мы пытаемся провести эксперименты, чтобы выяснить, полностью ли ядро осуществило переход от горизонтальной к вертикальной передаче.

— Не из-за этого ли подхода к ранней эволюции вы сказали, что мы должны по-другому говорить о биологии?

Люди склонны думать об эволюции как о синониме популяционной генетики. Я считаю, что это, в принципе, правильно. Но не совсем. Эволюция происходила еще до того, как появились гены, и это невозможно объяснить статистическими моделями популяционной генетики. Есть коллективные способы эволюции, которые тоже нужно воспринимать всерьез (например, процессы вроде переноса горизонтальных генов).

Именно в этом смысле наше понимание эволюции как процесса слишком узко. Нужно задумываться о динамических системах и о том, как возможно, что системы, способные развиваться и воспроизводиться, способны вообще существовать. Если думать о физическом мире, неочевидно, почему вы просто не делаете больше мертвых вещей.

Почему у планеты есть способность поддерживать жизнь? Почему жизнь вообще существует? Динамика эволюции должна уметь решать этот вопрос. Примечательно, что у нас нет даже идеи о том, как решить этот вопрос. А учитывая, что жизнь началась как нечто физическое, а не биологическое, он выражает физический интерес.

— Как ваша работа над цианобактериями вписывается в применение теории о конденсированном состоянии вещества?

— Мы с моим аспирантом Хонг-Ян Ши моделировали экосистему организма под названием Prochlorococcus — цианобактерии, которая живет в океане и использует фотосинтез. Я думаю, что этот организм может быть самым многочисленным клеточным организмом на планете.

— Существуют вирусы, «фаги», которые охотятся на бактерии. Десять лет назад ученые обнаружили, что у этих фагов также есть гены фотосинтеза. Обычно вы не думаете о вирусе, как о ком-то, кому необходим фотосинтез. Тогда почему они несут эти гены?

— Кажется, что бактерии и фаги ведут себя не совсем по модели «хищник-жертва». Бактерии действительно приносят фагам пользу. На самом деле, бактерии могли бы разными способами помешать фагам атаковать их, но они этого не делают, по крайней мере, не всецело. Гены фотосинтеза фагов первоначально поступали из бактерий — и, что удивительно, фаги затем переносили их обратно в бактерии. В течение последних 150 миллионов лет гены фотосинтеза перемещались между бактериями и фагами несколько раз.

Оказывается, гены гораздо быстрее развиваются в вирусах, чем в бактериях, потому что процесс репликации для вирусов намного короче и с большей вероятностью допускает ошибки (репликация — процесс синтеза дочерней молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты на матрице родительской молекулы ДНК — прим. Newочём).

В качестве побочного эффекта охоты фагов на бактерии бактериальные гены иногда переносятся в вирусы, где они могут распространяться, быстро развиваться, а затем возвращаться к бактериям, которые затем смогут извлечь из этого пользу. Поэтому фаги были полезны для бактерий. Например, есть два штамма Prochlorococcus, которые живут на разных глубинах. Один из этих экотипов приспособлен, чтобы жить ближе к поверхности, где свет намного интенсивнее, а разница его частот — больше. Эта адаптация может произойти из-за того, что вирусы быстро эволюционировали.

Вирусы тоже получают от генов выгоду. Когда вирус заражает носителя и реплицирует себя, количество новых вирусов, которое он создает, зависит от того, как долго может выживать захваченная клетка. Если вирус несет в себе систему жизнеобеспечения (гены фотосинтеза), он может держать клетку дольше, чтобы сделать больше копий вируса.

Вирус, который переносит гены фотосинтеза, имеет конкурентное преимущество над тем, который этого не делает. Существует давление селекции на вирусы для переноса генов, которые приносят пользу хозяину. Вы ожидаете, что, поскольку вирусы так быстро мутируют, их гены будут быстро «ухудшаться». Но в результате расчетов мы обнаружили, что бактерии фильтруют «хорошие» гены и переносят их на вирусы.

Поэтому это милейшая история: взаимодействие этих бактерий и вирyсов напоминает поведение вещества в конденсированном состоянии — эту систему можно смоделировать, чтобы предсказывать ее свойства.

— Мы говорили о физическом подходе к биологии. Встречались ли вы с обратным, когда биология одушевляла физику?

— Да. Я работаю над турбулентностью. Когда я возвращаюсь домой, то ночью мне не дает заснуть именно она. В статье, опубликованной в прошлом году в Nature Physics, Хонг-Ян Шин, Tсунг-Лин Шен и я хотели подробно объяснить, как жидкость в трубе переходит от пластичного состояния, где она протекает плавно и предсказуемо, до состояния турбулентности, где ее поведение непредсказуемо и неправильно.

Мы обнаружили, что перед переходом турбулентность ведет себя как экосистема. Существует особый динамический режим потока жидкости, подобный хищнику: он пытается «съесть» турбулентность, и взаимодействие между этим режимом и возникающей турбулентностью приводит к некоторым из явлений, которые вы видите, когда жидкость становится турбулентной.

В конечном итоге наша работа предполагает, что в жидкостях происходит определенный тип фазового перехода, и именно это подтверждают эксперименты. Поскольку проблема физики оказалась пригодной для решения этой биологической проблемы — о взаимоотношениях хищника и жертвы — Хонг-Ян и я знали, как имитировать и моделировать систему и воспроизводить то, что люди видят в экспериментах. Знание биологии действительно помогло нам понять физику.

— Есть ли ограничения для физического подхода к биологии?

— Существует опасность повторения только того, что известно, поэтому вы не можете делать никаких новых прогнозов. Но иногда ваша абстракция или минимальное представление упрощаются, и вы теряете что-то в этом процессе.

Вы не можете мыслить слишком теоретически. Вы должны закатав рукава изучать биологию, быть тесно связанными с реальными экспериментальными явлениями и реальными данными.

Вот почему наша работа проводится совместно с экспериментаторами: вместе с коллегами я собрал микробы из горячих источников Йеллоустонского национального парка, наблюдал за «прыгающими» генами в живых клетках в реальном времени, секвенировал (секвенирование — определение аминокислотной или нуклеотидной последовательности — прим. Newочем) желудочно-кишечный микробиом позвоночных. Каждый день я работаю в Институте геномной биологии, хотя моя «родная» отрасль — физика.