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2018
02-24

为什么地球上的生命首先发展得如此迅速?


物理学家奈杰尔戈尔德费尔德讨厌生物学 - “至少它在我上学的时候”当他在学校时,他说。 “这似乎是一个不连贯的事实集合。几乎没有定量分析。“对于那些浏览戈尔菲尔德实验室正在开发的无数项目的人来说,这种情绪可能会令人惊讶。他和他的同事监测蜜蜂的个体和群体行为,分析生物膜,观察基因跳跃,评估生态系统的多样性,探索微生物群落的生态。戈德菲尔德本人是美国宇航局宇宙生物学研究所所长,他大部分时间都不在伊利诺斯大学物理系,但在厄巴纳 - 香槟分校的生物实验室工作。

戈尔德菲尔德是一群寻求在生物学问题上取得进展的物理学家名单中的一员:30年代MaxDelbrück改变了对病毒的理解;后来,欧文·薛定谔出版了什么是生命?活细胞的物理方面; X射线晶体学先驱弗朗西斯克里克帮助发现了DNA的结构。戈尔德菲尔德希望利用他在凝聚态理论方面的专业知识,在该理论中,他模拟了动态物理系统中的模式随着时间的推移而演变,以更好地理解各种现象,包括湍流,相变,地质构造和金融市场。他对物质突现状态的兴趣迫使他去探索生物学最大的谜团之一:生命的起源本身。而且他只是从那里分支出去的。 “物理学家可以用不同的方式提问,”戈尔德菲尔德说。 “我的动机一直是寻找生物学领域的哪些方法会受到重视。但要取得成功,你必须与生物学家合作,并且基本上成为你自己。 “

广达杂志最近与戈尔德菲尔德谈到了集体现象,扩展了现代综合模型的进化,并利用物理学中的定量和理论工具来深入了解地球上早期生命的奥秘以及蓝细菌和掠食性病毒之间的相互作用。下面是对话的精简和编辑版本。

Jordana Cepelewicz:物理学有一个基本的概念框架,而生物学则没有。你是否想要获得普遍的生物学理论?

Nigel Goldenfeld:上帝,没有。没有统一的生物学理论。进化是你将要达到的最接近的事情。生物是进化的产物;生命及其多样性来自进化这一事实并没有例外。你必须把进化理解为理解生物学的过程。

Cepelewicz:那么物理学中的集体效应怎样才能让我们理解进化?

Goldenfeld:当你考虑进化时,你通常倾向于考虑群体遗传学,人口中基因的频率。但是如果你看看最后一个普遍的共同祖先 - 有机体是其他所有祖先的有机体,我们可以通过系统发生学(进化关系的研究)来追踪这个 - 这不是生命的开始。在那之前的生活肯定比较简单 - 当没有物种时甚至没有基因。所以我们知道进化是一个比人口遗传学更广泛的现象。

最后一个通用共同祖先的日期约为38亿年前。地球已有46亿年的历史。在不到十亿年的时间里,生活从零到基本上是现代细胞的复杂性。实际上,可能少得多:从那以后,蜂窝体系结构的发展相对较少。所以在过去的35亿年中,进化缓慢,但最初时速度很快。为什么生命演变如此之快?

[已故生物物理学家] Carl Woese和我觉得那是因为它以不同的方式发展。现代生活的发展方式是垂直下降:你把你的基因交给你的孩子,他们把基因交给你的孙子,等等。水平基因转移将基因传递给与您无关的生物体。它今天发生在细菌和其他生物体中,基因对于细菌并不是非常重要 细胞的结构。例如,让您抵抗抗生素的基因 - 这就是为什么细菌如此迅速地发展防御药物的原因。但在生命的早期阶段,即使是细胞的核心机器也是水平传播的。早期的生活应该是一个集体状态,更多的是通过基因交换而不是简单地集合在一起的一个社区。集体国家还有许多其他众所周知的例子:例如,蜂群或鸟群,其中集体似乎有自己的身份和行为,产生于组成部分以及它们沟通和回应的方式其他。通过基因转移传达早期生活。

Cepelewicz:你怎么知道?

Goldenfeld:生命只能像我们假设这种早期的网络效应那样迅速和优化地发展,而不是一棵[家族]的树。我们在10年前发现,遗传密码就是这种情况,这些密码告诉细胞哪些氨基酸可用来制造蛋白质。这个星球上的每个有机体都有相同的遗传密码,只有很小的干扰。在20世纪60年代,卡尔是第一个有这样的想法,即我们拥有的遗传密码和尽可能减少错误一样好。即使你得到了错误的氨基酸 - 通过突变,或者因为细胞的翻译机制造成了错误 - 遗传密码指定了一种可能类似于你应该得到的氨基酸。这样,你仍然有机会让你制造的蛋白质起作用,所以有机体不会死亡。哈佛大学的David Haig和巴斯大学的Laurence Hurst是第一个证明这个想法可以通过蒙特卡罗模拟进行量化的人 - 他们寻找哪种遗传密码对这类错误最具有适应性。答案是:我们拥有的那个。这真是太神奇了,并不像它应该那样广为人知。

后来,卡尔和我和卡琳Vetsigian [在威斯康星大学麦迪逊分校]一起,用许多合成的,假设的遗传密码对生物群落进行了数字化生活模拟。我们制作了模仿生物系统的计算机病毒模型:它们具有基因组,表达蛋白质,可以复制,有经验的选择,并且它们的适应性是它们所具有的蛋白质的功能。我们发现这不仅仅是他们的基因组进化。他们的遗传密码也发生了变化。如果你只是垂直进化[世代之间],遗传密码永远不会变得独特或最佳。但是,如果你有这种集体网络效应,那么遗传密码就会迅速演变,并发展到一个独特的最佳状态,就像我们今天所观察到的那样。

因此,那些研究结果以及关于生命如何能够如此迅速地获得这种错误最小化遗传密码的问题表明,例如,我们应该看到水平基因转移的签名早于最后的通用共同祖先。果然,一些与细胞翻译机器和基因表达有关的酶显示出早期水平基因转移的有力证据。

Cepelewicz:你怎么能够基于这些发现?

Goldenfeld: Tommaso Biancalani [现在在麻省理工学院]和我在去年左右发现的 - 我们的论文已被接受发表 - 生命会自动关闭横向基因转移演变足够复杂。当我们模拟它时,它基本上自行关闭。它仍在试图进行水平基因转移,但几乎没有任何关系。然后,唯一支配的演化机制是垂直演化,这一直是存在的。我们现在试图做实验,看看所有的核心细胞机器是否经历了从水平传输到垂直传输的转变。

Cepelewicz:对于早期进化的理解,你为什么说我们需要一种新的方式来谈论生物学?

戈尔德菲尔德:人们倾向于将进化看作是人口遗传学的同义词。就我看来,这很好。但是这远远不够。在基因存在之前,进化仍在进行,而这一点不可能由统计数据来解释 只有人口遗传模型。人们也需要认真对待集体进化模式。例如,像水平基因转移的过程。

从这个意义上说,我认为我们将进化论作为一个过程的观点需要扩展 - 考虑动力系统,以及如何有可能存在能够演化和再生产的系统。如果你想到物质世界,那么为什么不只是制造更多的死亡物质,这一点并不明显。为什么一个星球有能力维持生命?为什么生活甚至会发生?进化的动力应该能够解决这个问题。值得注意的是,即使在原则上我们也没有一个想法来解决这个问题 - 考虑到生命从物理而不是生物开始,从根本上来说是一个物理问题。

Cepelewicz:你对蓝藻的工作如何适应这些凝聚物理论的应用?

戈尔德菲尔德:我的研究生施红艳和我模拟了生物体的生态系统,称为原绿球藻,是一种通过光合作用生活在海洋中的蓝细菌。我认为它可能是这个星球上最多的细胞生物。有些病毒称为噬菌体,它们会捕食细菌。十多年前,人们发现这些噬菌体也具有光合作用基因。现在,你通常不会想到病毒需要做光合作用。那么他们为什么携带这些基因呢?

看来,细菌和噬菌体并不像捕食者 - 猎物生态系统预测的动力学那样表现得很好。细菌实际上受益于噬菌体。事实上,细菌可以阻止噬菌体以多种方式攻击它们,但它们并不完全。噬菌体的光合作用基因最初来自细菌 - 令人惊讶的是,噬菌体随后将它们转移回细菌。在过去的1.5亿年里,光合作用基因在细菌和噬菌体之间来回穿梭数次。

事实证明,基因在病毒中的演变要比在细菌中演变的快得多,因为病毒的复制过程要短得多,而且更容易出错。作为噬菌体捕食细菌的副作用,细菌基因有时会转移到病毒中,在那里它们能够传播,迅速进化,然后被送回细菌,从而获得好处。所以噬菌体对细菌有用。例如,存在两种生活在不同深度的 Prochlorococcus 菌株。其中一种生态型适合靠近表面,光线更强烈,频率也不同。这种适应可能会发生,因为病毒可以快速进化。

病毒也从基因中受益。当病毒感染主机并进行复制时,它所产生的新病毒的数量取决于被劫持的细胞能够存活多久。如果病毒带有生命支持系统 - 光合作用基因 - 它可以使细胞存活时间更长,以产生更多病毒拷贝。携带光合作用基因的病毒比没有的病毒具有竞争优势。对携带有益于宿主的基因的病毒有选择压力。你会期望,因为病毒具有如此高的突变率,它们的基因会迅速恶化。但在我们所做的计算中,我们发现细菌过滤好的基因并将它们转移到病毒中。

所以这里有一个很好的故事:细菌和病毒之间的一种集体行为,模仿那些在凝聚态系统中发生的事情,并且我们可以建模,以便我们可以预测系统的特征。

Cepelewicz:我们一直在谈论基于物理学的生物学方法。你有没有遇到相反的情况,生物学已经通知了物理学?

Goldenfeld:是的。我在动荡中工作。当我晚上回家的时候,这就是我沉睡的想法。在去年发表在 Nature Physics 上的一篇论文中,史洪雁,Tsung-Lin Hsieh和我想更好地理解管道中的流体是如何从层流流动的 平稳和可预见的动荡,其行为是不可预测的,不规则的和随机的。我们发现非常接近转变,动荡就像生态系统一样。流体流动有一种特殊的动力学模式,就像捕食者一样:它试图“吃”湍流,这种模式和新出现的湍流之间的相互作用引起了一些现象,当流体变得湍流时,就会看到一些现象。最终,我们的工作预测在流体中会发生某种相变,实际上这就是实验所表现的。因为物理问题最终成为这个生物学问题的映射 - 捕食者和猎物的生态 - 洪艳,我知道如何模拟和建模系统,并重现人们在实验中看到的东西。了解生物学实际上帮助我们理解了物理学。

Cepelewicz:对基于物理学的生物学方法有什么限制?

戈尔德菲尔德:一方面,只有复制已知的危险,所以你不能做出任何新的预测。另一方面,有时你的抽象或最小代表性过于简化,然后你在这个过程中失去了一些东西。

你不能从理论上思考。你必须卷起袖子,学习生物学,与真实的实验现象和真实的数据密切联系。这就是为什么我们的工作是与实验主义者合作完成的:与实验家同事一起,我收集了黄石国家公园温泉中的微生物,观察活细胞中的实时跳跃基因,测序了脊椎动物的胃肠微生物组。每天你都会发现我在基因组生物学研究所工作,尽管我的家庭系是物理学。