Fisikawan Nigel Goldenfeld membenci biologi: “Setidaknya tidak dalam bentuk yang diajarkan kepada saya di sekolah,” katanya. “Itu seperti serangkaian fakta yang bertele-tele. Praktis tidak ada analisis kuantitatif yang tepat. Sikap ini mungkin mengejutkan siapa pun yang melihat banyak proyek yang sedang dikerjakan lab Goldenfeld.
Dia dan rekan-rekannya memantau perilaku kolektif dan individu lebah madu, menganalisis biofilm, mengamati lompatan gen, menilai keragaman kehidupan di ekosistem, dan mengeksplorasi hubungan mikrobioma.
Goldenfeld adalah kepala Institut Astrobiologi untuk Biologi Umum NASA, tetapi dia juga menghabiskan sebagian besar waktunya bukan di departemen fisika di Universitas Illinois, tetapi di laboratorium biologisnya di kampus di Urbana-Champaign.
Nigel Goldenfeld bukan satu-satunya fisikawan yang mencoba memecahkan masalah dalam biologi. Pada tahun 1930-an, Max Delbrück mengubah konsep virus. Belakangan Erwin Schrödinger menerbitkan What is Life? Aspek fisik dari sel hidup”. Francis Crick, pelopor kristalografi sinar-X, membantu mengungkap struktur DNA.
Goldenfeld ingin memanfaatkan pengetahuannya tentang teori benda terkondensasi. Dalam mempelajari teori ini, ia mensimulasikan pengembangan sampel dalam sistem fisik dinamis untuk lebih memahami berbagai fenomena (turbulensi, transisi fase, fitur batuan geologi, pasar keuangan).
Ketertarikan pada kemunculan materi membawa fisikawan ke salah satu misteri biologi terbesar - asal mula kehidupan itu sendiri. Dari tugas inilah cabang penelitiannya saat ini berkembang.
"Fisikawan dapat mengajukan pertanyaan secara berbeda," Goldenfeld yakin. “Motivasi saya selalu mencari di bidang biologi untuk bidang-bidang di mana pendekatan semacam itu masuk akal. Tetapi untuk berhasil, Anda perlu bekerja dengan ahli biologi dan, pada kenyataannya, menjadi diri Anda sendiri. Fisika dan biologi sama-sama dibutuhkan."
Quanta berbicara dengan Goldenfeld tentang fenomena kolektif dalam fisika dan perluasan teori sintetis evolusi. Mereka juga membahas penggunaan alat kuantitatif dan teoritis dari fisika untuk mengangkat selubung misteri yang menyelimuti kehidupan awal di Bumi dan interaksi antara cyanobacteria dan virus predator. Berikut adalah ringkasan dari percakapan tersebut.
Video promosi:
Fisika memiliki struktur konseptual dasar, sedangkan biologi tidak. Apakah Anda mencoba mengembangkan teori umum biologi?
“Tuhan, tentu saja tidak. Tidak ada teori tunggal dalam biologi. Evolusi adalah hal terdekat yang dapat Anda hadirkan. Biologi itu sendiri adalah hasil evolusi; kehidupan dalam segala keanekaragamannya dan tanpa kecuali telah berkembang sebagai hasil evolusi. Sangatlah penting untuk benar-benar memahami evolusi sebagai sebuah proses untuk memahami biologi.
Bagaimana efek kolektif dari bidang fisika melengkapi pemahaman kita tentang evolusi?
Ketika Anda berpikir tentang evolusi, Anda biasanya cenderung berpikir tentang genetika populasi, tentang pengulangan gen dalam suatu populasi. Tetapi jika Anda melihat Leluhur Umum Universal Terakhir (organisme leluhur semua organisme lain, yang dapat kita telusuri melalui filogenetik), Anda akan memahami bahwa ini bukanlah awal dari asal mula kehidupan.
Sebelum itu, ada bentuk kehidupan yang lebih sederhana - bentuk yang bahkan tidak memiliki gen ketika belum ada spesies. Kita tahu bahwa evolusi adalah fenomena yang jauh lebih luas daripada genetika populasi.
Nenek moyang universal terakhir hidup 3,8 miliar tahun yang lalu. Planet Bumi berusia 4,6 miliar tahun. Kehidupan itu sendiri telah berjalan dari awal ke kompleksitas sel modern dalam waktu kurang dari satu miliar tahun. Bahkan mungkin lebih cepat: sejak itu, relatif sedikit perkembangan yang terjadi dalam evolusi struktur seluler. Ternyata evolusi berjalan lambat selama 3,5 miliar tahun terakhir, tetapi sangat cepat pada awalnya. Mengapa kehidupan berkembang begitu pesat?
Karl Woese (ahli biofisika, meninggal tahun 2012) dan saya percaya bahwa perkembangan awalnya berlangsung secara berbeda. Di zaman kita, kehidupan berkembang melalui warisan "vertikal": Anda menurunkan gen Anda kepada anak-anak Anda, mereka, pada gilirannya, kepada anak-anak mereka, dan seterusnya. Transfer gen "horizontal" dilakukan antara organisme yang tidak terhubung satu sama lain.
Ini sekarang terjadi pada bakteri dan organisme lain dengan gen yang tidak terlalu penting dalam struktur sel. Misalnya, gen yang memberikan resistensi terhadap antibiotik - berkat mereka, bakteri memperoleh perlindungan dari obat dengan sangat cepat. Namun, pada fase awal kehidupan, bahkan mekanisme dasar sel pun ditransmisikan secara horizontal.
Sebelumnya, kehidupan adalah keadaan kumulatif dan lebih merupakan komunitas yang dirajut erat oleh pertukaran gen daripada sekadar kumpulan bentuk individu. Ada banyak contoh lain dari keadaan kolektif, seperti koloni lebah atau sekawanan burung, di mana kolektif tersebut tampaknya memiliki kepribadian dan perilakunya sendiri, yang muncul dari elemen dan cara mereka berinteraksi. Kehidupan awal dikomunikasikan melalui transfer gen.
Bagaimana Anda tahu?
“Kita dapat menjelaskan perkembangan kehidupan yang begitu cepat dan optimal hanya jika kita membiarkan pengaruh dari“jaringan awal”ini dan bukan pohon [keluarga]. Sekitar 10 tahun yang lalu, kami menemukan bahwa teori ini berlaku untuk kode genetik, pada aturan yang memberi tahu sel asam amino mana yang digunakan untuk membuat protein. Setiap organisme di planet ini memiliki kode genetik yang sama dengan perbedaan minimal.
Pada 1960-an, Karl adalah orang pertama yang mengemukakan gagasan bahwa kode genetik yang kita miliki sebaik mungkin untuk meminimalkan kesalahan. Bahkan jika Anda mendapatkan asam amino yang salah karena mutasi atau kesalahan dalam mekanisme transpor seluler, kode genetik akan menunjukkan dengan tepat asam amino yang seharusnya Anda terima. Jadi, Anda masih memiliki peluang bahwa protein yang Anda hasilkan akan berfungsi dan tubuh Anda tidak akan mati.
David Haig (Harvard) dan Lawrence Hirst (University of Bath) adalah orang pertama yang mendemonstrasikan bahwa ide ini dapat dievaluasi secara kualitatif menggunakan metode Monte Carlo: mereka mencoba mencari tahu kode genetik siapa yang paling tahan terhadap kesalahan semacam itu. Dan kami sendiri yang menjadi jawabannya. Ini benar-benar penemuan yang mengejutkan, tetapi tidak seluas yang seharusnya.
Kemudian, Karl dan saya, bersama dengan Kalin Vestigian (Universitas Wisconsin di Madison), melakukan simulasi virtual dari kelompok organisme dengan banyak kode genetik hipotetis buatan. Kami menciptakan model virus komputer yang meniru sistem kehidupan: mereka memiliki genom, protein yang diekspresikan, mereka dapat menggandakan diri, bertahan dalam seleksi, dan kemampuan adaptasinya adalah fungsi dari protein mereka sendiri.
Kami menemukan bahwa tidak hanya genom mereka yang berevolusi. Tahun genetik mereka juga berevolusi. Dalam evolusi vertikal (antar generasi), kode genetik tidak pernah unik atau optimal. Tetapi ketika sampai pada efek "jaringan kolektif", maka kode genetik dengan cepat berkembang menjadi keadaan optimal unik yang kita amati hari ini.
Penemuan ini, dan pertanyaan tentang bagaimana kehidupan dapat memperoleh kode genetik ini dengan begitu cepat, menyarankan bahwa kita seharusnya melihat tanda-tanda transfer gen horizontal lebih awal daripada di Leluhur Umum Universal Terakhir, misalnya. Dan kami melihatnya: beberapa enzim yang terkait dengan mekanisme utama penerjemahan sel dan ekspresi gen menunjukkan bukti kuat untuk transfer gen horizontal awal.
Bagaimana Anda bisa mengandalkan kesimpulan ini?
- Tommaso Biancalani dan saya (sekarang di MIT) melakukan penelitian sekitar setahun yang lalu - artikel kami diterbitkan tentang dia - bahwa kehidupan secara otomatis mematikan transfer gen horizontal segera setelah menjadi cukup rumit. Saat kami mensimulasikan proses ini, pada dasarnya akan mati dengan sendirinya. Upaya dilakukan untuk melakukan transfer gen horizontal, tetapi hampir tidak ada yang berakar. Maka satu-satunya mekanisme evolusi yang dominan adalah evolusi vertikal, yang selalu ada. Kami sekarang mencoba melakukan eksperimen untuk melihat apakah kernel telah sepenuhnya melakukan transisi dari transmisi horizontal ke vertikal.
Apakah karena pendekatan terhadap evolusi awal inilah Anda mengatakan bahwa kita harus berbicara secara berbeda tentang biologi?
Orang cenderung menganggap evolusi identik dengan genetika populasi. Saya pikir ini, pada prinsipnya, benar. Tapi tidak juga. Evolusi terjadi bahkan sebelum gen ada, dan ini tidak dapat dijelaskan dengan model statistik genetika populasi. Ada cara evolusi kolektif yang juga perlu ditanggapi dengan serius (misalnya, proses seperti transfer gen horizontal).
Dalam pengertian inilah pemahaman kita tentang evolusi sebagai suatu proses terlalu sempit. Kita perlu memikirkan tentang sistem dinamis dan bagaimana mungkin sistem yang mampu berkembang dan bereproduksi mampu ada sama sekali. Ketika Anda berpikir tentang dunia fisik, tidak jelas mengapa Anda tidak melakukan lebih banyak hal yang mati.
Mengapa planet memiliki kemampuan untuk menopang kehidupan? Mengapa hidup itu ada? Dinamika evolusi seharusnya bisa menyelesaikan masalah ini. Patut dicatat bahwa kami bahkan tidak memiliki ide tentang cara menyelesaikan masalah ini. Dan mengingat bahwa kehidupan dimulai sebagai sesuatu yang bersifat fisik, bukan biologis, ia mengungkapkan minat fisik.
Bagaimana pekerjaan Anda pada cyanobacteria sesuai dengan penerapan teori zat terkondensasi?
- Mahasiswa pascasarjana saya Hong-Yang Shi dan saya membuat model ekosistem organisme yang disebut Prochlorococcus, cyanobacterium yang hidup di laut dan menggunakan fotosintesis. Saya pikir organisme ini mungkin organisme seluler paling melimpah di planet ini.
Ada virus, "fag" yang memangsa bakteri. Satu dekade lalu, para ilmuwan menemukan bahwa fag ini juga memiliki gen untuk fotosintesis. Anda biasanya tidak menganggap virus sebagai seseorang yang membutuhkan fotosintesis. Lalu mengapa mereka membawa gen tersebut?
“Tampaknya bakteri dan fag tidak berperilaku persis seperti model predator-mangsa. Bakteri memang menguntungkan fag. Faktanya, bakteri dapat mencegah fag menyerang mereka dengan berbagai cara, tetapi tidak, setidaknya tidak seluruhnya. Gen fotosintesis fag awalnya berasal dari bakteri - dan, yang mengejutkan, fag kemudian mentransfernya kembali ke bakteri. Selama 150 juta tahun terakhir, gen untuk fotosintesis telah berpindah-pindah antara bakteri dan fag beberapa kali.
Ternyata gen berkembang jauh lebih cepat pada virus daripada pada bakteri, karena proses replikasi virus jauh lebih pendek dan lebih mungkin membuat kesalahan (replikasi adalah proses sintesis molekul anak asam deoksiribonukleat pada kerangka molekul DNA induk - tidak lebih).
Sebagai efek samping dari perburuan fag untuk bakteri, gen bakteri terkadang terbawa ke dalam virus, di mana mereka dapat menyebar, berkembang dengan cepat, dan kemudian kembali ke bakteri, yang kemudian dapat mengambil manfaat darinya. Oleh karena itu, fag bermanfaat bagi bakteri. Misalnya, ada dua strain Prochlorococcus yang hidup di kedalaman yang berbeda. Salah satu ekotipe ini diadaptasi untuk hidup lebih dekat ke permukaan, di mana cahayanya jauh lebih kuat, dan perbedaan frekuensinya lebih besar. Adaptasi ini mungkin disebabkan oleh fakta bahwa virus telah berkembang pesat.
Virus juga mendapat manfaat dari gen. Ketika virus menginfeksi inang dan menggandakan dirinya sendiri, jumlah virus baru yang dibuatnya bergantung pada berapa lama sel yang ditangkap dapat bertahan hidup. Jika virus membawa sistem pendukung kehidupan (gen untuk fotosintesis), ia dapat mempertahankan sel lebih lama untuk membuat lebih banyak salinan virus.
Virus yang membawa gen untuk fotosintesis memiliki keunggulan kompetitif dibandingkan yang tidak. Ada tekanan berkembang biak pada virus untuk mentransfer gen yang menguntungkan inang. Anda akan mengira bahwa karena virus bermutasi dengan sangat cepat, gen mereka akan dengan cepat "menurun". Tetapi sebagai hasil kalkulasi, kami menemukan bahwa bakteri menyaring gen "baik" dan mentransfernya ke virus.
Oleh karena itu, ini adalah cerita yang lucu: interaksi bakteri dan virus ini menyerupai perilaku zat dalam keadaan terkondensasi - sistem ini dapat dimodelkan untuk memprediksi sifat-sifatnya.
Kami berbicara tentang pendekatan fisik untuk biologi. Pernahkah Anda melihat kebalikannya ketika biologi menginspirasi fisika?
- Iya. Saya sedang mengerjakan turbulensi. Saat aku pulang, dialah yang membuatku terjaga di malam hari. Dalam sebuah artikel yang diterbitkan tahun lalu di Nature Physics, Hong-Yan Shin, Tsung-Ling Sheng dan saya ingin menjelaskan secara rinci bagaimana fluida dalam pipa berubah dari keadaan plastik, di mana ia mengalir dengan lancar dan dapat diprediksi, ke keadaan turbulensi, di mana perilakunya tidak dapat diprediksi. dan salah.
Kami menemukan bahwa sebelum transisi, turbulensi berperilaku seperti ekosistem. Ada rezim dinamis khusus dari aliran fluida, mirip dengan predator: ia mencoba untuk "memakan" turbulensi, dan interaksi antara rezim ini dan turbulensi yang dihasilkan mengarah ke beberapa fenomena yang Anda lihat ketika fluida menjadi turbulen.
Pada akhirnya, pekerjaan kami mengasumsikan bahwa jenis transisi fase tertentu terjadi dalam cairan, dan inilah yang dikonfirmasi oleh eksperimen. Karena masalah fisika ternyata cocok untuk memecahkan masalah biologis ini - tentang hubungan antara pemangsa dan mangsa - Hong-Yan dan saya tahu bagaimana meniru dan mensimulasikan sistem dan mereproduksi apa yang dilihat orang dalam percobaan. Mengetahui biologi sangat membantu kita memahami fisika.
Apakah ada batasan untuk pendekatan fisik terhadap biologi?
- Ada bahaya mengulang hanya apa yang diketahui, jadi Anda tidak bisa membuat prediksi baru. Tetapi terkadang abstraksi atau representasi minimal Anda disederhanakan dan Anda kehilangan sesuatu dalam prosesnya.
Anda tidak bisa berpikir terlalu teoritis. Anda harus menyingsingkan lengan baju untuk belajar biologi, terhubung erat dengan fenomena eksperimental nyata dan data nyata.
Itulah mengapa pekerjaan kami dilakukan bersama dengan peneliti: bersama dengan rekan saya, saya mengumpulkan mikroba dari mata air panas di Taman Nasional Yellowstone, mengamati gen "melompat" dalam sel hidup secara real time, diurutkan (pengurutan - menentukan asam amino atau urutan nukleotida - kira-kira. Baru dari) gastro - mikrobioma usus vertebrata. Setiap hari saya bekerja di Institute of Genomic Biology, meskipun fisika adalah bidang "asli" saya.
Jordana Cepelewicz
Terjemahan dilakukan oleh proyek Baru
