昨年、ジェフ・ゴアはオフィスからマサチューセッツ州ケンブリッジのテクノロジー・スクエアにある大学の建物の 1 つにある研究室まで、短い廊下を歩いていました。機械がハミングし、ほのかな塩素臭が、物が適切に無菌に保たれていることを保証しました。ラボのカウンターには、ピペットと、それぞれ直径が約 0.5 センチメートルの半球状のウェルが 8 x 12 のグリッドに 96 個入っている、ほぼスマートフォン サイズのプラスチック プレートが散らばっていました。ゴアは一枚の皿を手に取った。 「これは私たちの世界のようなものです」と彼は言いました。
マサチューセッツ工科大学のゴアの研究室のメンバーは、単細胞のバクテリアまたは酵母の孤立した島を作成し、突き刺し、突っ込んで、それらの各井戸に住んでいる日々を過ごしています.種は互いに戦ったり、暑さ、寒さ、食糧不足にさらされたりします。その間ずっと、サイトメーターと呼ばれるデバイスが、これらの何千もの実験の結果を順番に、時には細胞ごとに読み取っています。ゴアにとって、結果を正確に定量化できることが重要です。 「本当に細胞を数えることができます」と彼は言いました。
環境と研究対象は生物学者にふさわしい。しかし、トレーニングと自己認識の両方によって、ゴアは物理学者です。そして、物理学者を高く評価し、時には他の分野に侵入したときに憤慨させる大胆さで、この早口で絶え間なく明るい物理学者は、過去 10 年間、生態学への有益な侵略となることを望んでいることを実行してきました。
ゴアは、無生物の世界に関して物理学者が名刺を作成し、生態学者が生きている世界について長い間求めてきた、基本的で普遍的な原則の種類を求めて、微生物の簡素化された生態系を操作する研究キャリアを築いてきました。彼のアプローチを際立たせているのは、再現可能な実験と統計分析の追求であると同僚は言います。これは、生態学者が従来、完全に達成不可能ではないにしても、不自然で誤解を招く可能性があると見なしていた可能性があるものです。
このアプローチは、おそらくそれ以上の成功を収めました。ゴアは、実験室の線虫の腸内微生物や土壌サンプル中の細菌群集など、単純なミクロ生態系について予測できるルールを発見しました。侵入してくる物理学者を信用しない傾向にあるかもしれない生物学者や生態学者でさえ、自分たちの分野に対するゴアの敬意に満ちた態度を称賛し、彼らや同僚たちを長い間混乱させてきた問題を彼が真に前進させていると言っています。
シカゴ大学の理論生態学者であるステファノ・アレシナは、ゴアは「人々が何十年もの間頭を悩ませてきた、本当に深い質問をすることができます. 「彼は、きれいな信号ときれいなデータを得ることができる美しい実験に理論を抽出することができます。」
現在、ゴアは新しい領域に進出しています。研究室での微生物の操作をマスターした彼は、人々が実際に関心を持っている現実世界の生態系を支配するルールを発見したいと考えています。種がコミュニティ内でどのように集まり、存続するかを理解することは、医師が腸疾患を治療するのに役立ち、農学者がより健康な土壌を操作できるようにし、保護活動家が生態系を保護または回復するのを助けることができます。
しかし、物理学と生物学の分断の両側にいる同僚は、この取り組みを支持している一方で、生きている世界の完全な複雑さに直面したときに、ゴアの極端に厳格な実験戦略がどのように機能するか疑問に思っています.
もつれた銀行の説明
物理学者は、その分野で最も深い問題を考えるとき、次のように尋ねることがあります。生態学者はよく次のように尋ねます:なぜ少数ではなく多くの種が存在するのですか?
伝説的な生態学者である G. Evelyn Hutchinson は、これをプランクトンのパラドックスと呼びましたが、大草原のパラドックス、熱帯雨林のパラドックス、または腸内微生物叢のパラドックスと呼んでもよかったでしょう。どこを見ても、自然は単純さよりも複雑さを選び、単一文化よりもメドレーを選んでいます。世界にはさまざまな種があふれていますが、その理由は明らかではありません。どのような環境においても、1 つの種 (またはせいぜい数種) が優位に立ち、他のすべての種に勝てないのはなぜでしょうか?この問題は、ダーウィンが種の起源で「絡み合った銀行」を熟考して以来、150 年以上にわたって科学者を悩ませてきました。 .
1920 年代、数理生物学者のアルフレッド ロトカとヴィト ヴォルテッラは、捕食者の種とその獲物が爆発や崩壊ではなく、互いの数を安定して振動させる方法を説明する連立方程式のペアを独自に作成し、単純な生態系における共存の理論的サポートを提供しました。 .しかし、より複雑な生態系は、そのようなきれいな数学的処理に逆らいました.
生態学が成熟して独自の分野になると、ハッチンソンらの研究により、ニッチ理論と呼ばれるより質的なアイデアが生み出されました。その一般的な概念は、種は特定の一連の環境条件を最大限に活用することで繁栄するというものです。樹木によっては、涼しく湿った場所を好むものもあれば、暑く乾燥した場所を好むものもあります。 3 番目のセットは、火災の後にのみ発芽します。したがって、自然の異質性は、豊富な生物のためのスペースを切り開いています。
約 20 年前、ニッチ理論の優位性は中立理論によって異議を唱えられました。この理論では、種分化、絶滅、および個体の死は、通常考えられているよりもランダムであり、ランダム性によって種がライバルを圧倒。議論は今日に至るまで激しくなっていますが、ニッチな概念を完全に否定する生態学者はほとんどいません.
理論生態学者のフラストレーションは、世界中に何千もの異なる生態系があるため、生態学理論を普遍的に反証するのが難しい場合があることです。 Allesina は、物理学の教科書は時間の経過とともにほぼ同じ長さのままであると冗談を言っています。これは、実験と観察が古い理論を反証すると同時に新しい理論を触媒するためです。しかし、新しい理論が積み重なっても、古い理論が残っているため、生態学のテキストはますます長くなります。生態学を支える統一原理 (物理学における熱力学や統計力学に相当するもの) が未知であるかどうかは不明です。それは、まだ誰も解明されていないためか、単にそのような原理が存在しないためです。
壮大で美しい理論のテスト
肉体的にも知的にも落ち着きのないゴアは、他のいくつかの科学的な池につま先を浸した後、生態学的な争いに巻き込まれました. 1990 年代後半に MIT の学部生として、彼はヴォルフガング ケッターレと共にボーズ アインシュタイン凝縮体を研究するための実験装置の開発を手伝いました。物質の状態。カリフォルニア大学バークレー校の大学院で、ゴアは生物物理学に移行し、DNA 分子の複雑な力学を調べました。彼はポスドクとして MIT に戻り、今回は、酵母を使用して協調行動の進化を実験的に調査し、従来の生物物理学の境界を押し広げました。
時が経つにつれて、ゴアは生物が複雑なコミュニティの中でどのように存在できるかについて、エコロジーの「大きくて美しい理論」と彼が呼ぶものに魅了されました。しかし、彼はまた、「理論と測定が常にお互いを可能な限り豊かにしているわけではない」ことにも気付きました。彼は、仮説を厳密にテストし、おそらく Allesina が嘆く理論的な山積みを少しずつ取り除くことができる、明確で曖昧さのない、再現可能な測定への入り口を見ました。ゴアにとってそれは、多くの生物学者が極度に人工的だと考えるかもしれない自然に対する制御のレベルを発揮することを意味していました.彼は微生物を厳密に管理された環境に置き、最先端の機器を使用して個体の運命を正確に追跡し始めました。これにより、自然の騒々しさやカオスの一部を調整できるようになるため、実験を何度も繰り返して、物理学者が現象を特定したことを納得させるような統計を生成できると彼は考えました。
ゴアの研究室で研究を行い、現在はボストン大学で研究を行っている物理学者のキリル・コロリョフは、次のように述べています。 「複雑さはなくなりますが、メリットもあります。」
ゴアは、可能な限り単純な生態系から始めました。それは、たった 1 つの種です。それでも、興味深いことが判明しました。ゴアとコロリョフを含む彼の研究室のメンバーは、砂糖溶液で成長するビール酵母のコロニーを希釈する実験を計画しました。ビール酵母細胞は食べられない糖を食べられるものに変換するため、個人は多くの近接した隣人を持つことで利益を得ますが、希釈は酵母集団を飢えさせます.研究者は、酵母集団が繁栄するか崩壊するかを予測できるように、データ内のシグナルを特定しました。 2012 年に Science で発表された研究 ゴアの研究室でこれまでに最も引用された論文は、分岐図として知られる図を特徴としており、生態系が安定した状態を維持するか、壊滅的な転換点を通過する正確な条件をマッピングしています。
このような図は、「ほとんどの数理生態学者にとって非常に重要なものです」と Allesina 氏は述べています。先駆的な物理学者から生態学者に転身した故ロバート・メイは、昆虫の個体数の増加をモデル化するために使用される方程式が分岐図を生成することを発見したとき、カオス理論の分野の立ち上げに貢献しました。ゴアのチームは、コンピューターと黒板からアイデアをラボに持ち込みました。
「その論文は非常に印象的でした」とアレシナは言いました。 「データは、理論が予測したとおりに機能することを示しています。これが、私が[ゴアの]仕事を非常に意識するようになった理由です。」
2 と無限の間
物理学者は、1 つ、2 つ、または無限の個々の要素のシステムを記述できますが、その間には何も記述できないという冗談があります。そのため、1 つの種から洞察を生み出す彼の気概を証明したゴアは、2 つの種に移りました。当時ポスドクだった Jonathan Friedman が率いる研究で、ゴアの研究室のメンバーは土壌から 8 つの細菌株を分離し、96 ウェル プレートでさまざまな組み合わせでそれらを互いにくっつけました。その結果から、研究者は一連の単純なルールを構築しました。A は B に勝って、B は C に勝って、C と D は共存できる、などです。
その後、科学者は種をトリオで混合しました。ゴアのチームは、1 対 1 の戦いの結果により、特定の種がより複雑な混合物で生き残るかどうかを 90% の精度で予測できることを発見しました。言い換えると、A が B に勝ち、B が C に勝った場合、A はほぼ確実に B と C に勝つでしょう。
それでも、8つの微生物が普遍的なポイントを証明することはほとんどありません.大学院生のローガン・ヒギンズは外に出て、MIT のテクノロジー スクエアの芝生に出て、微生物でいっぱいの土をすくい上げました。チームは菌株を分離し、微生物が互いに打ち負かしたり共存したりする能力を管理するペアワイズ ルールを決定しました。次に、研究者は、プラスチック製のウェル内の約 1,000 個の細菌トリオを調べました。
これらの実験は、1970 年代にさかのぼる、多くの種の混合物が競合バランスによって互いに安定化する可能性があるという提案によって部分的に動機付けられました。このような「高次」の安定化相互作用の一例は、共存する 3 つの種のそれぞれが 1 つの競合相手を抑制し、もう 1 つの競合相手によって抑制されるというじゃんけんゲームに似ています。理論家たちは、そのような配置は、ある種が残りの種を打ち負かすのを防ぐことによって、多様な生態系を生み出すエレガントな方法になる可能性があると提案しています.じゃんけんの関係によって安定化された細菌のトリオは、ラボでさえ設計されています。
しかし、経験的なデータが不足しているため、この取り決めが実際にどれほど重要であるかを判断するのは困難です. 「私はじゃんけんが大好きです」とアレシナは言いました。 「それでは、本質的にあまり一般的ではありません。」
ゴア氏のチームは、土壌菌株の中で、じゃんけんの関係を 1 つだけ発見しました。以前の実験と同様に、1 対 1 の戦いの結果がエコシステム全体を支配しているように見えました。細菌 C が A に勝って三角形を完成させたのは 1 つのケースだけでした。研究者が 20 株をまとめて井戸に投入したところ、ペアワイズ ルールによって予測されたように、3 株だけが優性として現れました。元の多様で安定した土壌群集とはかけ離れています。ジャンケンはほぼ完全に除外されたので、ゴアのチームは、土壌の物理的マトリックス内の環境条件のわずかな変化が、おそらく自然環境で多様なコミュニティを安定させたと結論付けました。研究室で。
これらの研究は、ゴアの方法が、現実世界の生態系が占めている 2 と無限の間の非物理学者の土地について何か言いたいことがあるかもしれないことをほのめかしました。現在、イスラエルのレホボトにあるヘブライ大学エルサレム校の上級講師であるフリードマン氏は、「私たちが発見したことは、生態系がどのように機能するかを必ずしも示唆しているとは思わない. 「しかし、これは 1 つのエコシステムがどのように機能するかを理解するための最善の努力です。」
「私たちは本当に構築しています…物理学者が量子力学と原子を理解した方法と同様です」とゴアは言いました。 「私たちはまず水素を理解しようとしました。物理学者が水素そのものに夢中だったわけではありませんが、水素を理解していないと行き過ぎるのは少し危険です。 … それが私たちのアプローチの見方です。私たちは水素から始めましたが、現在はヘリウムとメタンに取り組んでいます。」
構築
微生物は自然にとって不可欠です。土壌バクテリアと菌類は、私たちが食べる植物と、気候を安定させ、地球の生物多様性の大部分を提供する森林を維持しています。私たちの腸内では、バクテリアは私たちが食べ物を消化するのを助け、免疫やおそらく認知にさえ貢献すると考えられています.しかし、微生物群集は荒廃を引き起こす可能性もあります。おそらく最もよく知られている例は、クロストリジウム ディフィシル 腸に侵入し、痛みを伴う、時には致命的な大腸炎を引き起こします。このような侵略は予測が難しく、元に戻すのも困難です。今日、糞便移植による治療がますます行われています。これは、不健康なマイクロバイオームを健康なものに置き換える力ずくの試みです。
「私たちは何も理解していないので、コミュニティ全体を移植して指を交差させます」とアレシナは言いました。 「本当に5,000株全部必要だと思いますか？ …おそらくそうではありません。おそらく、ほんの一握りのものしか持たない小規模なコミュニティでも、同じ結果になるでしょう。」
一連の有望な結果に後押しされて、ゴアは最近、腸内微生物叢に照準を合わせました. 2 月に発表された研究で、彼のチームは、2 つの微生物からなる生態系が第 3 の種によって一時的に侵入されると、生態系の優勢な株が頻繁に切り替わることを発見しました。著者が示唆したように、同様のダイナミクスが C でも作用している可能性があります。難しい
しかし、人間の腸の泥沼から普遍的な種の集合規則を抽出しようとする際に、ゴアは複雑さの困難な上昇に直面しています.私たちの腸内では、何百もの種からなる 1 兆個を超える細菌が、常に競合し、共存しています。新しいポスドクの Nic Vega がゴアの研究室に線虫 Caenorhabditis を持ち込んだとき、進歩への道が開かれました。 エレガンス 、何千人もの生物学者によって研究されたモデル生物です。ワームは、私たちと同じように腸とマイクロバイオームを持っていますが、そのマイクロバイオームのメンバーはわずか 100,000 程度です。
土壌実験からのアプローチを採用して、Vega はミミズに赤と緑でラベル付けされたバクテリアのペアを与え、バクテリアがそれを腸内に浸し、次にミミズをすりつぶして、各タイプがどれだけ生き残ったかを測定しました.彼らは、2 つの細菌種がワームにコロニーを形成する率のランダムな変動が、ワームの完全に組み立てられたマイクロバイオームに大きな違いをもたらすことを突き止めました。そのような違いが説明できるという考えは、マイクロバイオームの研究者にとって「少し異質」であると Vega は言いました.
その後の研究で、Vega と大学院生の Anthony Ortiz Lopez は、ワームの腸に生息する 11 の細菌種間のペアワイズ競合の結果を研究し、これらの種の最大 3 つの混合物をワームに与えました。土壌と同様に、ペアワイズ ルールは、ほとんどの場合、最終的な結果を大きく予測しました。研究者は、biorxiv.org プレプリント サーバーに予備論文を投稿し、査読のためにジャーナルに提出しました。
この実験は、外的要因は重要であるが、さまざまな環境における微生物群集の進化を予測するための「ペアワイズ結果は強力な対象である」ことを実証した、と Gore は述べた。
同様に、現在アトランタのエモリー大学の教授であるベガにとって、この結果は、ゴアの方法が現実世界の生物に翻訳されることを強力に示しています。 「確かに、人間の腸の生態系では、存在する微生物のすべてのペアワイズ相互作用を行うことは物理的に不可能です」とベガは言いました. 「私たちが今理解しようとしているのは、行動を予測するために実際に必要な情報と、それを取得する最善の方法は何かということです。」ベガがこれまで見てきたことは、彼らを楽観的にしています。 「哺乳類のマイクロバイオームの特性を理解し、意図的に哺乳類のマイクロバイオームを再設計できることを願っています。」
誰もがこれを確信しているわけではありません。細菌は、その数と多様性によって生じる困難を超えて、自分自身と周囲のすべての環境を変化させる化合物を絶えず分泌しています。このようなニュアンスを捉えるには、ゴアや他の誰かが達成したことを超える進歩が必要です.
マイクロバイオームに基づく治療法を研究している MIT の生物学者である Tami Lieberman は、次のように述べています。しかし、それは努力する価値がないという意味ではないと彼女は強調します。実際、その方向への第一歩として、Lieberman と Gore は、ペアワイズ ルールが人間の腸内の微生物の相互作用をどの程度予測できるかをテストするための共同実験について話し合っています。
マサチューセッツ工科大学のチャールズ川を渡ったところにあるボストン大学の理論物理学者であるパンカジ メータにとって、ゴアのアプローチは期待を超えていました。早い段階で、Mehta は Gore が微生物環境に関する重要な詳細を無視していると考えていましたが、これらの詳細は彼が信じていたほど重要ではないことが判明したことを Mehta は認めています。 「この研究の興味深い点と印象的な点は、多くの異なる現象 (pH の変化、栄養素の競合など) をすべて、これらの単純な現象論モデルを使用して、少なくとも少数の種が存在するシステムで捉えることができることを示していることです」と Mehta 氏は述べています。 . 「これは、物理学でうまく機能している、真に試行錯誤された還元主義です。」
しかし、メータも、ゴアがどこまでやれるか懐疑的だ。彼は類推を提供します。物理学者が、特定の瞬間に部屋の中を動き回る可能性がある 10 個の空気分子を説明しようとするとき、各分子の方程式を書きません。むしろ、彼らは粒子の平均的な振る舞いを説明するパラメータを探します。つまり、「1、2、無限」というジョークの無限です。気体の場合、そのようなパラメーターが存在することがわかります:温度。温度計を見ると、身の回りに十分な数の分子がある場合、知っておく価値のあることがたくさんわかります。
Mehta は、この「トップダウン」アプローチは微生物にも有効であると考えています。彼のグループと他の研究者が行った研究では、栄養素の利用可能性や細菌種が互いの分泌物に依存する程度などの高レベルのパラメータが、微生物群集がどのように機能するかに関する重要な情報を捉えており、それらの群集のメンバーの詳細な知識は必要ありません。または相互作用。
ゴア氏は、科学者が「ボトムアップ」アプローチと呼んでいる方法で、すべての微生物を効果的に説明しようとしているとメータ氏は言います。それは今のところうまくいっているが、「非常に複雑なシステムへの道を導入することは間違いなくはるかに難しいと私は信じている」とMehta氏は語った. 「確かに、ますます予測が難しくなると思います。」
Allesina 自身の作品でも、トップダウンのアプローチが好まれています。 2018 年のモデリング研究で、彼は 100 のシミュレートされた微生物を一緒に投げ、微生物間の相互作用の詳細に関係なく、安定した生態系が形成されることを発見しました。しかし、Allesina は、両方の戦略が必要であると考えています。 「私はトップダウンが好きです…もっと楽しいです」とアレシナは言いました。 「しかし、答えは真ん中にあると思います。」
プリンストン大学の理論生態学者であるサイモン・レビンは、ゴアが取り組まなければならないもう 1 つの課題を指摘しています。化学元素や亜原子粒子とは異なり、微生物は絶えず進化しているため、実験中に研究システムが変化します。 「それは常に、生物学におけるあらゆる種類の予測理論の限界になるでしょう」とレビンは言いました。 「左翼手から何かが入ってきた場合、それが何であるかについて理論を構築することは非常に困難です。」
今後数年で、ゴアが自ら設定した高い目標を達成できるかどうかがわかるかもしれません。彼の落ち着きのない、改善を求める性質に忠実に、彼は最近、Broad Institute の Friedman と Paul Blainey との共同作業に興奮しており、この共同研究では、Brailey がハイスループット薬物スクリーニング用に構築したナノ流体工学チップを再利用しています。研究者は最近、このチップを使用して、40 の異なる環境で 20 の土壌バクテリア間の 180,000 以上の相互作用を研究し、ある微生物が別の微生物の存在から恩恵を受ける相互作用が予想よりもはるかに一般的であることを発見しました。バクテリアがコミュニティでどのように振る舞うかについての知恵
レビンは、ゴアが 1 つの重要なことを正しく行うことで、成功の可能性を高めたと述べています。 「彼は、多くの物理学者がそうであるように、『私は物理学者であり、あなたを助けるためにここにいる』とは言いません」とレビンは言いました。 「ジェフは生物学者になりました。彼はその分野のアイデアに敬意を表しています。」
アレシナは同意した。 「彼が生態学を勉強することに決めたのは幸運です。」
訂正:2020 年 10 月 14 日
この記事に付随するビデオは、当初、一部の映像を「小宇宙への旅」のクレジットにすることを怠っていました。
