物理学者のナイジェル・ゴールデンフェルドは、学生時代に「少なくとも私に提示された方法では」生物学が嫌いだと彼は言った。 「それはバラバラな事実の集まりのように見えました。量はほとんどありませんでした。」その感情は、Goldenfeld の研究室が取り組んでいる無数のプロジェクトに目を通した人にとっては驚くかもしれません。彼と彼の同僚は、ミツバチの個々の行動と群れの行動を監視し、バイオフィルムを分析し、遺伝子のジャンプを観察し、生態系の多様性を評価し、マイクロバイオームの生態を調べています。ゴールデンフェルド自身は NASA 宇宙生物学研究所の所長であり、イリノイ大学の物理学部ではなく、アーバナ シャンペーン キャンパスの生物学研究室でほとんどの時間を過ごしています。
ゴールデンフェルドは、生物学の問題を前進させようとしてきた物理学者の長いリストの 1 人です。後にアーウィン・シュレディンガーはWhat is Life? を出版しました。生きている細胞の物理的側面; X線結晶構造解析のパイオニアであるフランシス・クリックは、DNAの構造の発見に貢献しました。ゴールデンフェルドは、乱流、相転移、地質形成、金融市場などのさまざまな現象をよりよく理解するために、動的物理システムのパターンが時間の経過とともにどのように進化するかをモデル化する凝縮物質理論の専門知識を活用したいと考えています。物質の創発状態に対する彼の関心は、生物学の最大の謎の 1 つである生命そのものの起源を探求することを余儀なくされました。そして、彼はそこから分岐しただけです。 「物理学者は別の方法で質問をすることができます」とゴールデンフェルドは言いました。 「私の動機は常に、そのようなアプローチが評価される生物学の分野を探すことでした。しかし、成功するためには、生物学者と協力し、本質的に自分自身が生物学者になる必要があります。物理学と生物学の両方が必要です。」
クォンタ マガジン は最近、集団現象についてゴールデンフェルドと話し、進化の現代統合モデルを拡張し、物理学の定量的および理論的ツールを使用して、地球上の初期の生命とシアノバクテリアと捕食性ウイルス間の相互作用を取り巻く謎への洞察を得ました。その会話を要約して編集したバージョンが続きます。
物理学には基礎となる概念フレームワークがありますが、生物学にはありません。生物学の普遍的な理論に到達しようとしていますか?
神様、いいえ。生物学の統一理論はありません。進化は、それに到達するための最も近いものです。生物学は進化の産物です。生命とその多様性が進化に由来するという事実に例外はありません。生物学を理解するには、進化をプロセスとして理解する必要があります。
では、物理学における集団効果は、どのようにして私たちの進化の理解に影響を与えるのでしょうか?
進化について考えるとき、通常、集団遺伝学、つまり集団内の遺伝子の頻度について考える傾向があります。しかし、最後の普遍的な共通の祖先に目を向けると、他のすべての生物の祖先であり、系統発生学 [進化的関係の研究] を通じてたどることができますが、それは生命の始まりではありません。それ以前には、間違いなくもっと単純な生命がありました — 種が存在しなかったとき、遺伝子さえも持っていなかった生命.したがって、進化は単なる集団遺伝学よりもはるかに広い現象であることがわかっています.
最後の宇宙共通祖先は、約 38 億年前とされています。地球は46億歳です。生命は 10 億年も経たないうちに、ゼロから本質的に現代の細胞の複雑さになりました。それ以来、セルラー アーキテクチャの進化に関しては、ほとんど何も起きていません。したがって、進化は過去 35 億年間はゆっくりでしたが、最初は非常に速かったのです。なぜ生命は急速に進化したのですか?
[故生物物理学者] Carl Woese と私は、それは異なる方法で進化したためだと感じました。現在の時代に生命が進化する方法は、垂直降下によるものです。自分の遺伝子を子供に渡し、自分の遺伝子を孫に渡すなどです。水平遺伝子導入は、あなたとは関係のない生物に遺伝子を与えます。それは今日、細胞の構造にとってそれほど重要ではない遺伝子を使って、バクテリアや他の生物で起こっています.たとえば、抗生物質への耐性を与える遺伝子 - 細菌が薬物に対する防御を急速に進化させるのはそのためです。しかし、生命の初期段階では、細胞のコア機構でさえ水平方向に伝達されていました。初期の生命は集合的な状態であり、単に個人の集合体の合計ではなく、遺伝子交換によってまとめられたコミュニティのようなものでした.集団状態のよく知られた例は他にもたくさんあります。たとえば、ミツバチのコロニーや鳥の群れでは、構成要素と、構成要素がコミュニケーションを取り、それぞれに反応する方法から生じる、集団が独自のアイデンティティと行動を持っているように見えます。他の。遺伝子導入によって伝達された初期の生命。
どうしてわかるの?
[家系図] ではなく、この初期のネットワーク効果を仮定した場合にのみ、生命はそれと同じくらい迅速かつ最適に進化した可能性があります。私たちは約 10 年前に、タンパク質を作るためにどのアミノ酸を使用するかを細胞に伝える規則である遺伝子コードがこれに該当することを発見しました。地球上のすべての生物は同じ遺伝コードを持っていますが、わずかな摂動があります。 1960年代、カールは、私たちが持っている遺伝子コードが、エラーを最小限に抑えるのに最適であるという考えを最初に持っていました.突然変異によって、または細胞の翻訳機構のミスによって誤ったアミノ酸が得られたとしても、遺伝暗号は、おそらく得られるべきアミノ酸に類似したアミノ酸を特定します.そうすれば、あなたが作ったタンパク質が機能する可能性がまだあるので、生物は死ぬことはありません. David Haig [ハーバード大学] と Laurence Hurst [バース大学] は、このアイデアがモンテカルロ シミュレーションによって定量化できることを最初に示しました。彼らは、どの遺伝子コードがこの種のエラーに対して最も回復力があるかを調べました。その答えは、私たちが持っているものです。それは本当に驚くべきことですが、本来あるべきほどには知られていません.
その後、カールと私は [ウィスコンシン大学マディソン校] のカリン ベツィジアンと共に、多くの人工的で仮説的な遺伝コードを持つ生物群集のデジタル ライフ シミュレーションを行いました。私たちは、生きているシステムを模倣したコンピューター ウイルス モデルを作成しました。それらはゲノムを持ち、タンパク質を発現し、複製でき、選択を経験し、その適応度はそれらが持つタンパク質の関数でした。進化したのは彼らのゲノムだけではないことがわかりました。彼らの遺伝暗号も進化しました。 [世代間の] 垂直進化だけでは、遺伝暗号が一意または最適になることはありません。しかし、この集合的なネットワーク効果があれば、今日観察されているように、遺伝暗号は急速に進化し、独自の最適な状態になります.
したがって、これらの発見と、生命がどのようにしてこのエラーを最小化する遺伝子コードをこれほど迅速に取得できるかについての疑問は、たとえば、最後の普遍的な共通の祖先よりも前に水平遺伝子伝達の痕跡が見られるはずであることを示唆しています。案の定、細胞の翻訳機構と遺伝子発現に関連する酵素のいくつかは、初期の水平遺伝子伝達の強力な証拠を示しています。
これらの調査結果をどのように構築できましたか?
Tommaso Biancalani [現在はマサチューセッツ工科大学に在籍] と私は昨年かそこらで発見しました — そして、これに関する私たちの論文は出版のために受理されました — 生物は、十分に複雑に進化すると水平遺伝子伝達を自動的に遮断することを発見しました.シミュレートすると、基本的には自動的にシャットダウンします。それはまだ遺伝子の水平伝達を行おうとしていますが、ほとんどうまくいきません。次に、支配的な唯一の進化メカニズムは、常に存在していた垂直進化です。私たちは現在、すべての主要な細胞機構が水平から垂直への伝送へのこの移行を通過したかどうかを確認するための実験を試みています.
生物学について語る新しい方法が必要だとあなたが言ったのは、初期の進化についてこのように理解しているからですか?
人々は、進化を集団遺伝学と同義であると考える傾向があります。その程度でいいと思います。しかし、それだけでは十分ではありません。進化は遺伝子が存在する前から進行しており、それは集団遺伝学の統計モデルだけではおそらく説明できません。真剣に受け止める必要がある集合的な進化様式もあります。たとえば、水平遺伝子導入のようなプロセスです。
その意味で、プロセスとしての進化の見方を拡大する必要があると思います — 動的システムについて考え、進化と再生が可能なシステムがどのように存在する可能性があるかを考えることによって。物理的な世界について考えると、死んだものをもっと作らない理由はまったく明らかではありません。なぜ惑星は生命を維持する能力を持っているのですか?生命はなぜ発生するのでしょうか。進化のダイナミクスは、その問題に対処できるはずです。驚くべきことに、私たちはその問題にどう対処するかについて、原理的にさえアイデアを持っていません — 生命が生物学的ではなく物理的なものとして始まったことを考えると、これは基本的に物理学の問題です.
シアノバクテリアに関するあなたの研究は、これらの凝縮物質理論の応用にどのように適合しますか?
大学院生の Hong-Yan Shih と私は Prochlorococcus という生物の生態系をモデル化しました。 光合成によって海に生息するシアノバクテリアの一種。地球上で最も数の多い細胞生物である可能性が高いと思います。細菌を捕食するファージと呼ばれるウイルスがあります。 10年ほど前に、これらのファージにも光合成遺伝子があることが発見されました。さて、通常、ウイルスが光合成を行う必要があるとは考えないでしょう.では、なぜ彼らはこれらの遺伝子を持ち歩いているのでしょうか?
バクテリアとファージは、捕食者と被食者の生態系のダイナミクスが予測するようには振る舞わないようです.バクテリアは実際にファージの恩恵を受けています。実際、バクテリアはファージによる攻撃をさまざまな方法で防ぐことができますが、完全ではありません。ファージの光合成遺伝子はもともとバクテリアに由来し、驚くべきことに、ファージはそれらをバクテリアに戻しました.光合成遺伝子は、過去 1 億 5000 万年の間、バクテリアとファージの間を数回往復してきました。
ウイルスの複製プロセスははるかに短く、間違いを犯す可能性が高いため、遺伝子は細菌よりもウイルスではるかに急速に進化することが判明しました.バクテリアに対するファージの捕食の副作用として、バクテリアの遺伝子がウイルスに移されることがあります.そのため、ファージはバクテリアにとって役に立ちました。たとえば、プロクロロコッカスには 2 つの菌株があります。 、異なる深さに住んでいます。光がはるかに強く、異なる周波数を持つ地表近くに住むように適応した生態型の1つ。ウイルスが急速な進化を可能にしたため、その適応が起こる可能性があります.
また、ウイルスも遺伝子の恩恵を受けています。ウイルスが宿主に感染して複製するとき、そのウイルスが作る新しいウイルスの数は、ハイジャックされた細胞がどれだけ長く生き残ることができるかに依存します。ウイルスが生命維持システム (光合成遺伝子) を持っている場合、ウイルスのコピーをより多く作るために、細胞をより長く生き続けることができます。光合成遺伝子を持つウイルスは、そうでないウイルスよりも競争上の優位性を持っています。ウイルスには、宿主に利益をもたらす遺伝子を運ぶ選択圧力があります。ウイルスは突然変異率が非常に高いため、遺伝子が急速に劣化することが予想されます。しかし、私たちが行った計算では、バクテリアが良い遺伝子をフィルタリングしてウイルスに移すことがわかりました.
ここに素晴らしい話があります。バクテリアとウイルスの間の集団行動は、凝縮系で起こる種類のことを模倣しており、モデル化できるため、システムの機能を予測できます.
これまで、生物学への物理学に基づくアプローチについて話してきました。生物学が物理学に情報を提供した逆の現象に遭遇したことがありますか?
はい。私は乱気流に取り組んでいます。夜、家に帰ると、寝起きにそんなことを考えています。昨年 Nature Physics に掲載された論文で 、Hong-Yan Shih、Tsung-Lin Hsieh と私は、パイプ内の流体が、滑らかで予測通りに流れる層流状態から、その挙動が予測不能で不規則で確率論的な乱流状態になるまでの過程をよりよく理解したいと考えました。遷移のすぐ近くで、乱気流が一種の生態系のように振る舞うことを発見しました。捕食者のような流体の流れの特定の動的モードがあります。それは乱流を「食べよう」とします。このモードと出現する乱流の間の相互作用により、流体が乱れるときに見られるいくつかの現象が発生します。最終的に、私たちの研究は、特定のタイプの相転移が流体で起こることを予測しており、実際にそれが実験で示されています。物理学の問題はこの生物学の問題 (捕食者と被食者の生態学) にマッピングできることが判明したため、Hong-Yan と私はシステムをシミュレートおよびモデル化し、実験で人々が見たものを再現する方法を知っていました。生物学を知ることは、実際に物理学を理解するのに役立ちました.
物理学に基づいた生物学へのアプローチにはどのような制限がありますか?
一方では、既知のものだけを再現する危険性があるため、新しい予測を行うことができません。一方で、抽象化や最小限の表現が単純化しすぎて、その過程で何かを失ってしまうこともあります。
あまり理論的に考えることはできません。袖をまくり上げて生物学を学び、実際の実験現象や実際のデータと密接に結びつかなければなりません。そのため、私たちの仕事は実験家と協力して行われています。実験家の同僚と一緒に、イエローストーン国立公園の温泉から微生物を収集し、生きた細胞でジャンプする遺伝子をリアルタイムで観察し、脊椎動物の胃腸マイクロバイオームの配列を決定しました。私のホーム部門は物理学ですが、私はゲノム生物学研究所で毎日働いています。
