Le physicien Nigel Goldenfeld déteste la biologie: «Du moins pas sous la forme sous laquelle je l'ai appris à l'école», dit-il. «C'était comme un ensemble de faits décousus. Il n'y a pratiquement pas eu d'analyse quantitative précise. Cette attitude pourrait surprendre quiconque regarde les nombreux projets sur lesquels travaille le laboratoire de Goldenfeld.
Lui et ses collègues surveillent le comportement collectif et individuel des abeilles, analysent les biofilms, observent les gènes sautant, évaluent la diversité des formes de vie dans les écosystèmes et explorent la relation entre les microbiomes.
Goldenfeld est à la tête de l'Institut d'astrobiologie de la NASA pour la biologie générale, mais il ne passe pas la plupart de son temps dans le département de physique de l'Université de l'Illinois, mais dans son laboratoire de biologie sur le campus d'Urbana-Champaign.
Nigel Goldenfeld n'est pas le seul physicien à essayer de résoudre des problèmes de biologie. Dans les années 1930, Max Delbrück a changé le concept de virus. Plus tard, Erwin Schrödinger a publié What is Life? L'aspect physique d'une cellule vivante ». Francis Crick, un pionnier de la cristallographie aux rayons X, a aidé à découvrir la structure de l'ADN.
Goldenfeld souhaite bénéficier de ses connaissances en théorie de la matière condensée. Lors de l'étude de cette théorie, il modélise le développement d'un échantillon dans un système physique dynamique afin de mieux comprendre différents phénomènes (turbulence, transitions de phase, caractéristiques des roches géologiques, marché financier).
Un intérêt pour l'état émergent de la matière a conduit les physiciens à l'un des plus grands mystères de la biologie - l'origine de la vie elle-même. C'est à partir de cette tâche que s'est développée la branche actuelle de ses recherches.
«Les physiciens peuvent poser des questions différemment», est convaincu Goldenfeld. «Ma motivation a toujours été de chercher en biologie des domaines où une telle approche aurait du sens. Mais pour réussir, vous devez travailler avec des biologistes et, en fait, en devenir vous-même. La physique et la biologie sont également nécessaires."
Quanta a parlé avec Goldenfeld des phénomènes collectifs en physique et de l'expansion de la théorie synthétique de l'évolution. Ils ont également discuté de l'utilisation d'outils quantitatifs et théoriques de la physique pour lever le voile de mystère qui entoure les débuts de la vie sur Terre et les interactions entre les cyanobactéries et les virus prédateurs. Ce qui suit est un résumé de cette conversation.
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La physique a une structure conceptuelle de base, contrairement à la biologie. Essayez-vous de développer une théorie générale de la biologie?
«Dieu, bien sûr que non. Il n'y a pas de théorie unique en biologie. L'évolution est la chose la plus proche que vous puissiez y apporter. La biologie elle-même est le résultat de l'évolution; la vie dans toute sa diversité et sans exception s'est développée à la suite de l'évolution. Il est nécessaire de vraiment comprendre l'évolution comme un processus pour comprendre la biologie.
Comment les effets collectifs du domaine de la physique peuvent-ils compléter notre compréhension de l'évolution?
Lorsque vous pensez à l'évolution, vous avez généralement tendance à penser à la génétique des populations, à la répétition de gènes dans une population. Mais si vous regardez le dernier ancêtre commun universel (l'organisme ancêtre de tous les autres organismes, que nous pouvons retracer grâce à la phylogénétique), vous comprendrez que ce n'est pas le tout début de l'origine de la vie.
Avant cela, il y avait définitivement une forme de vie encore plus simple - une forme qui ne possédait même pas de gènes quand il n'y avait pas encore d'espèces. Nous savons que l'évolution est un phénomène beaucoup plus large que la génétique des populations.
Le dernier ancêtre commun universel a vécu il y a 3,8 milliards d'années. La planète Terre a 4,6 milliards d'années. La vie elle-même a voyagé de la création à la complexité de la cellule moderne en moins d'un milliard d'années. Probablement encore plus rapide: depuis lors, relativement peu de développements se sont produits dans l'évolution de la structure cellulaire. Il s'avère que l'évolution a été lente au cours des 3,5 milliards d'années écoulées, mais très rapide au début. Pourquoi la vie s'est-elle développée si rapidement?
Karl Woese (biophysicien, décédé en 2012) et moi pensions qu'au départ, le développement se déroulait différemment. A notre époque, la vie évolue par héritage «vertical»: vous transmettez vos gènes à vos enfants, eux, à leur tour, à leurs enfants, etc. Le transfert «horizontal» de gènes s'effectue entre des organismes qui ne sont pas connectés les uns aux autres.
Cela se produit maintenant dans les bactéries et autres organismes dont les gènes ne sont pas très importants dans la structure cellulaire. Par exemple, les gènes qui confèrent une résistance aux antibiotiques - grâce à eux, les bactéries acquièrent une protection contre les médicaments si rapidement. Cependant, dans les premières phases de la vie, même le mécanisme de base de la cellule était transmis horizontalement.
Auparavant, la vie était un état cumulatif et était plus une communauté étroitement liée par l'échange de gènes qu'une simple collection de formes individuelles. Il existe de nombreux autres exemples d'états collectifs, comme une colonie d'abeilles ou une volée d'oiseaux, où le collectif semble avoir sa propre personnalité et son propre comportement, découlant des éléments et de la manière dont ils interagissent. La première vie a été communiquée par transfert de gène.
Comment le sais-tu?
«Nous ne pouvons expliquer un développement aussi rapide et optimal de la vie que si nous permettons l'effet de ce« réseau précoce »et non de l'arbre [généalogique]. Il y a environ 10 ans, nous avons découvert que cette théorie s'applique au code génétique, aux règles qui indiquent à la cellule quels acides aminés utiliser pour fabriquer des protéines. Chaque organisme de la planète a le même code génétique avec des différences minimes.
Dans les années 1960, Karl a été le premier à avoir l'idée que le code génétique que nous possédons est aussi bon que possible pour minimiser les erreurs. Même si vous obtenez le mauvais acide aminé en raison d'une mutation ou d'une erreur dans le mécanisme de transport cellulaire, le code génétique déterminera avec précision l'acide aminé que vous devriez recevoir. Ainsi, vous avez toujours une chance que la protéine que vous produisez fonctionne et que votre corps ne mourra pas.
David Haig (Harvard) et Lawrence Hirst (Université de Bath) ont été les premiers à démontrer que cette idée peut être évaluée qualitativement à l'aide de la méthode de Monte Carlo: ils ont tenté de savoir quel code génétique est le plus résistant à ce type d'erreur. Et nous sommes nous-mêmes devenus la réponse. C'est vraiment une découverte surprenante, mais pas aussi répandue qu'elle devrait l'être.
Plus tard, Karl et moi, avec Kalin Vestigian (Université du Wisconsin à Madison), avons effectué des simulations virtuelles de groupes d'organismes avec de nombreux codes génétiques artificiels et hypothétiques. Nous avons créé des modèles de virus informatiques qui imitaient les systèmes vivants: ils avaient un génome, exprimaient des protéines, ils pouvaient se répliquer, survivre à la sélection et leur adaptabilité était fonction de leurs propres protéines.
Nous avons constaté que non seulement leurs génomes ont évolué. Leur année génétique a également évolué. Lorsqu'il s'agit d'évolution verticale (entre générations), le code génétique ne devient jamais unique ou optimal. Mais quand il s'agit de l'effet «réseau collectif», alors le code génétique évolue rapidement vers l'état optimal unique que nous observons aujourd'hui.
Ces découvertes, et les questions sur la façon dont la vie aurait pu acquérir ces codes génétiques si rapidement, suggèrent que nous devrions voir des signes de transfert horizontal de gènes plus tôt que dans le dernier ancêtre commun universel, par exemple. Et nous les voyons: certaines des enzymes associées au mécanisme principal de la traduction cellulaire et de l'expression génique montrent des preuves solides d'un transfert de gène horizontal précoce.
Comment pouvez-vous vous fier à ces conclusions?
- Tommaso Biancalani et moi (maintenant au MIT) avons mené une étude il y a environ un an - notre article a été publié à son sujet - selon laquelle la vie désactive automatiquement le transfert horizontal de gènes dès que cela devient suffisamment compliqué. Lorsque nous simulons ce processus, il s'arrête tout seul. Des tentatives sont faites pour effectuer un transfert horizontal de gènes, mais presque rien ne prend racine. Ensuite, le seul mécanisme évolutif dominant est l'évolution verticale, qui a toujours été présente. Nous essayons maintenant de faire des expériences pour voir si le noyau a complètement fait la transition de la transmission horizontale à la transmission verticale.
Est-ce à cause de cette approche de l'évolution précoce que vous avez dit que nous devrions parler différemment de la biologie?
Les gens ont tendance à penser que l'évolution est synonyme de génétique des populations. Je pense que c'est, en principe, correct. Mais pas vraiment. L'évolution a eu lieu avant même que les gènes n'existent, et cela ne peut pas être expliqué par des modèles statistiques de génétique des populations. Il existe des modes d'évolution collectifs qui doivent également être pris au sérieux (par exemple, des processus comme le transfert horizontal de gènes).
C'est en ce sens que notre compréhension de l'évolution en tant que processus est trop étroite. Nous devons réfléchir aux systèmes dynamiques et à la manière dont il est possible que des systèmes capables de se développer et de se reproduire soient capables d'exister. Quand vous pensez au monde physique, il n'est pas évident de savoir pourquoi vous ne faites plus de choses mortes.
Pourquoi la planète a-t-elle la capacité de soutenir la vie? Pourquoi la vie existe-t-elle même? La dynamique de l'évolution devrait pouvoir résoudre ce problème. Il est à noter que nous n'avons même pas d'idée sur la façon de résoudre ce problème. Et étant donné que la vie a commencé comme quelque chose de physique et non de biologique, il exprime un intérêt physique.
Comment vos travaux sur les cyanobactéries s'inscrivent-ils dans l'application de la théorie de la matière condensée?
- Mon étudiant diplômé Hong-Yang Shi et moi avons modélisé un écosystème d'un organisme appelé Prochlorococcus, une cyanobactérie qui vit dans l'océan et utilise la photosynthèse. Je pense que cet organisme est peut-être l'organisme cellulaire le plus abondant de la planète.
Il existe des virus, des "phages" qui s'attaquent aux bactéries. Il y a dix ans, les scientifiques ont découvert que ces phages possédaient également des gènes de photosynthèse. Vous ne pensez généralement pas à un virus comme à une personne qui a besoin de photosynthèse. Alors pourquoi portent-ils ces gènes?
«Il semble que les bactéries et les phages ne se comportent pas exactement comme un modèle prédateur-proie. Les bactéries profitent aux phages. En fait, les bactéries pourraient empêcher les phages de les attaquer de diverses manières, mais ce n'est pas le cas, du moins pas entièrement. Les gènes photosynthétiques des phages provenaient à l'origine de bactéries - et, étonnamment, les phages les ont ensuite transférés aux bactéries. Au cours des 150 derniers millions d'années, les gènes photosynthétiques se sont déplacés plusieurs fois entre les bactéries et les phages.
Il s'avère que les gènes se développent beaucoup plus rapidement dans les virus que chez les bactéries, car le processus de réplication des virus est beaucoup plus court et plus susceptible de faire des erreurs (la réplication est le processus de synthèse d'une molécule fille d'acide désoxyribonucléique sur le modèle de la molécule d'ADN parente - pas plus).
En tant qu'effet secondaire de la recherche de phages pour les bactéries, les gènes bactériens sont parfois transférés dans les virus, où ils peuvent se propager, se développer rapidement, puis retourner aux bactéries, qui peuvent ensuite en bénéficier. Par conséquent, les phages étaient bénéfiques pour les bactéries. Par exemple, il existe deux souches de Prochlorococcus qui vivent à des profondeurs différentes. L'un de ces écotypes est adapté pour vivre plus près de la surface, où la lumière est beaucoup plus intense, et la différence de ses fréquences est plus grande. Cette adaptation peut être due au fait que les virus ont évolué rapidement.
Les virus bénéficient également des gènes. Lorsqu'un virus infecte un hôte et se réplique, le nombre de nouveaux virus qu'il crée dépend de la durée de survie de la cellule capturée. Si le virus porte le système de survie (gènes de la photosynthèse), il peut garder la cellule plus longtemps afin de faire plus de copies du virus.
Un virus porteur de gènes pour la photosynthèse a un avantage concurrentiel par rapport à un autre qui n'en possède pas. Il y a une pression de reproduction sur les virus pour transférer des gènes qui profitent à l'hôte. Vous vous attendez à ce que, parce que les virus mutent si rapidement, leurs gènes se «dégradent» rapidement. Mais à la suite de calculs, nous avons constaté que les bactéries filtrent les «bons» gènes et les transfèrent aux virus.
C'est donc une histoire mignonne: l'interaction de ces bactéries et virus ressemble au comportement d'une substance à l'état condensé - ce système peut être modélisé pour prédire ses propriétés.
Nous avons parlé d'une approche physique de la biologie. Avez-vous vu le contraire lorsque la biologie a inspiré la physique?
- Oui. Je travaille sur la turbulence. Quand je rentre chez moi, c'est elle qui me tient éveillé la nuit. Dans un article publié l'année dernière dans Nature Physics, Hong-Yan Shin, Tsung-Ling Sheng et moi voulions expliquer en détail comment un fluide dans une conduite passe d'un état plastique, où il s'écoule de manière fluide et prévisible, à un état de turbulence, où son comportement est imprévisible. et faux.
Nous avons constaté qu'avant la transition, la turbulence se comporte comme un écosystème. Il existe un régime dynamique spécial d'écoulement de fluide, semblable à un prédateur: il essaie de «manger» la turbulence, et l'interaction entre ce régime et la turbulence qui en résulte conduit à certains des phénomènes que vous voyez lorsque le fluide devient turbulent.
En fin de compte, nos travaux supposent qu'un certain type de transition de phase se produit dans les liquides, et c'est ce que les expériences confirment. Puisque le problème de la physique s'est avéré approprié pour résoudre ce problème biologique - sur la relation entre prédateur et proie - Hong-Yan et moi savions comment imiter et simuler un système et reproduire ce que les gens voient dans les expériences. Connaître la biologie nous a vraiment aidés à comprendre la physique.
Y a-t-il des limites à l'approche physique de la biologie?
- Il y a un risque de ne répéter que ce qui est connu, vous ne pouvez donc pas faire de nouvelles prédictions. Mais parfois, votre abstraction ou représentation minimale se simplifie et vous perdez quelque chose dans le processus.
Vous ne pouvez pas penser trop théoriquement. Vous devez retrousser vos manches pour étudier la biologie, être étroitement lié à de vrais phénomènes expérimentaux et à des données réelles.
C'est pourquoi notre travail est mené en collaboration avec des expérimentateurs: avec mes collègues, j'ai collecté des microbes dans des sources chaudes du parc national de Yellowstone, observé les gènes «sautants» dans des cellules vivantes en temps réel, séquencé (séquençage - détermination de la séquence d'acides aminés ou de nucléotides - env. Nouveau que) gastro - microbiome intestinal des vertébrés. Chaque jour, je travaille à l'Institut de biologie génomique, bien que la physique soit mon domaine "natal".
Jordana Cepelewicz
La traduction a été réalisée par le projet New
