早期地球生命進化速度更快?聽物理學家跨界回答

　　2017-09-23 00:02:42　來源: 網易科學人

　　生命是如何迅速獲得最優化的基因序列，就是早期生命基因進行水平傳遞的典型。同樣，與細胞翻譯機制和基因表達相關的一些酶就是地球早期生命進行水平基因傳遞的強有力證據。

　　出品|網易科學人欄目組

　　譯者|晗冰

　　

　　據國外媒體報道，物理學家奈傑爾·金菲爾德（Nigel Goldenfeld）非常討厭生物學——「至少是它的表現方式讓我討厭」，他在上學時就如是指出。「整個學科似乎就是完全不連貫的事實收集，也幾乎沒有定量分析可言。「但如果你看到金菲爾德實驗室正在開展的生物學項目，對於其物理學方法會感到非常意外。他和他的同事監測蜜蜂個體和群體行為，分析生物膜，觀察基因突變，評估生態系統的多樣性，探索微生物的生態學。金菲爾德自己是美國航空航天局天體生物學全球生物學研究所的主任，但他大部分時間都不在伊利諾伊大學的物理系，而是呆在伊利諾伊大學校園的生物實驗室里。

　　金菲爾德是試圖在生物學方面取得進展的物理學家之一：在20世紀30年代，Max Delbrück改變了人們對病毒的理解;後來，同樣是物理學家的Erwin Schr?dinger出版了《什麼是生命？從物理學角度觀察活體細胞》一書；; X射線晶體學的先驅弗朗西斯·克里克（Francis Crick）幫助弄清了DNA的結構。作為一個研究由大量粒子(原子、分子、離子、電子)組成凝聚態的結構、動力學過程及其與宏觀物理性質之間聯繫的物理學家，金菲爾德想利用自己在凝聚態理論中的專長來探索生物學中的最大奧秘——生命本身的起源問題。「物理學家可以用不同的方式提出問題，」 金菲爾德指出。 「我的動機是尋找凝聚態理論在生物學領域中的應用價值。但要取得成功，你必須與生物學家合作，讓自己也成為一個生物學家。你需要的不僅是物理學，還有生物學。「

　　近日《量子雜誌》(Quanta Magazine)與金菲爾德進行了深入交談，內容涉及集體現象，現代綜合進化模型，以及如何利用物理學中的定量和理論工具，深入了解地球早期生命起源的謎團以及藍細菌與掠食性病毒之間的相互作用。經編輯后的談話如下。

　　《量子雜誌》：物理學有一個基礎的概念性框架，而生物學卻沒有。你想要獲得統一的生物學理論嗎？

　　尼格爾·金菲爾德：不。沒有統一的生物學理論。進化是你接觸最多的事情。生物學是進化的產物;毋庸置疑，生命以及其多樣性都來自進化，你必須將進化的過程理解為了解生物學的過程。

　　《量子雜誌》：那麼物理學中的集體效應如何告訴我們對進化的理解呢？

　　尼格爾·金菲爾德：當你考慮進化時，你通常傾向於考慮人口遺傳學，群體中特定基因出現的頻率。但是，如果你通過系統發育（進化關係的研究）的方法找到最後一個普遍的共同祖先，也就是所有地球上生命的共同祖先，也不是說就找到了生命的起源。在那之前肯定會有更簡單的生命形式，甚至於沒有物種、也沒有基因。所以我們知道，進化是一個更廣泛的現象，而不僅僅是人類遺傳學。

　　最後一個普遍的共同祖先距今約38億年。地球存在的時間是46億年。在不到10億年的時間裡，生命從零開始發展到複雜的細胞。事實上，這一時間可能還要更短一點：從那時起，關於細胞結構的演變就相對很少。因此，可以說在過去的35億年裡，生命的演進速度很慢，但是地球誕生之初非常快。為什麼早期生命進化如此之快？

　　已故生物物理學家卡爾·沃斯（Carl Woese）和我覺得這是因為生命在不同時期是以不同的方式進化。當前，生命進化的主要方式的是垂直進化，也就是你把你的基因傳給你的孩子，你的孩子再把他們的基因傳給你的孫子等等。相比之下，水平基因傳遞則是把基因傳遞給一個與你無關的生物體。今天這種方式主要發生在細菌等基因對細胞結構影響不大的生物體內。比如一些為抗生素提供抗性的基因，其轉移主要採取了水平方式，這也就是為什麼細菌產生抗藥性的速度是如此之快。但在生命發展的早期階段，即便是細胞的核心組織也採用水平方式進行進化。早期的生命本來就是一種集體存在，更多的是相互進行基因傳遞的群體而非個體的簡單集合。自然界中還有許多眾所周知的類似例子：例如，一個蜂群或是一群鳥。這種集體有自己的特定身份和行為方式，也有著獨特的溝通方式。早期的生命主要通過基因轉移來相互溝通。

　　《量子雜誌》：你是怎麼知道這一點的？

　　尼格爾·金菲爾德：早期的生命只能依靠這種水平轉移的網路效應才能夠快速進化。我們在10年前就發現基因序列就是如此，它決定了細胞可以用哪些氨基酸來製造蛋白質。地球上的每一個生物都具有相同的基因序列，彼此之間的差異非常小。早在20世紀60年代，卡爾就第一個認識到我們所擁有的基因序列出錯的可能性非常之小。即使一個生物個體通過突變獲得錯誤的氨基酸，或者由於細胞的翻譯機制出錯，穩定的基因序列依舊能夠讓個體獲得同樣的氨基酸。這樣以來，個體細胞仍然有機會使讓自身所產生的蛋白質起作用，因此生物個體就不會死亡。哈佛大學的David Haig和巴斯大學的勞倫斯·赫斯特（Laurence Hurst）都通過蒙特卡羅方法證明這一想法可以量化，他們通過這種模擬方法尋找哪些基因序列對這些錯誤的容錯性最高。答案是確定的。這真的非常神奇。

　　後來，卡爾與我一起，在威斯康星大學麥迪遜分校的Kalin Vetsigian進行了多次合成假定基因序列生物群落的數字生命模擬。我們開發了模擬生命系統的計算機病毒模型：它們擁有基因組和表達蛋白質，可以進行複製並作出適應性選擇，其適應度是其擁有的蛋白質功能。我們發現，進化的不僅僅是基因組進化，而基因序列也發生了變化。如果你只是在幾代之間進行垂直進化，基因序列就不會達到最優。但是，如果生命之間存在這種集體網路效應，那麼基因序列的進化就非常迅速，並且會達到一個獨特的最優狀態，就像我們今天所觀察到的自然界一樣。

　　所以這些發現，以及生命是如何迅速獲得最優化的基因序列，就是早期生命基因進行水平傳遞的典型。同樣，與細胞翻譯機制和基因表達相關的一些酶就是地球早期生命進行水平基因傳遞的強有力證據。

　　《量子雜誌》：你如何能夠獲得這些發現？

　　尼格爾·金菲爾德：馬薩諸塞理工學院的Tommaso Biancalani和我在過去一年中獲得了這些發現。我們在已發表的論文中指出，一旦生命進化一定的複雜程度，就會自動關閉水平基因傳遞。當我們模擬它，基本上在一定進化之後都會自發關閉。即便其仍然在努力進行水平基因轉移，但幾乎沒有任何作用。那麼這樣一來，主導進化的唯一機制就是垂直進化，這種方式始終存在。我們現在正在進行相關實驗，看是否所有的核心細胞機制都經歷了從水平基因傳遞到垂直基因傳遞的過渡。

　　《量子雜誌》：對早期生命進化的理解就是你所謂我們現在需要一種新的生物學方法嗎？

　　尼格爾·金菲爾德：人們通常認為進化就是種群遺傳學的代名詞。我覺得這沒問題，但其遠不夠深入。而早在當代基因出現之前，進化已經發生了，這不可能僅僅通過種群遺傳學的統計模型來解釋。而進化模式也需要我們加以認真對待，比如說水平基因轉移的過程等等。

　　從這個意義上說，我認為我們不僅僅是將進化視為一個過程。想想現實世界，為什麼一個星球有能力維持生命的存在？為什麼能夠產生生命？進化動力學應該能夠解決這個問題。值得注意的是，我們在如何解決這個原則性問題上還沒有明確的概念。生命的起源是物質而非生物，其從根本上說是一個物理問題。

　　《量子雜誌》：你是如何利用凝聚態物理學來研究藍藻的？

　　尼格爾·金菲爾德：我的研究生洪仁燕和我模仿了一種生物體的生態系統。這種通過光合作用生活在海洋中的藍藻名為Prochlorococcus，我認為這可能是地球上最多的細胞生物。而被稱為噬菌體的病毒也存在於藍藻上。十年前，發現這些噬菌體也具有光合作用的基因。你通常不會想到病毒需要進行光合作用。那麼為什麼它們也會攜帶這些基因？

　　似乎細菌和噬菌體的特徵並不符合生態系統的動態預測。事實上，細菌受益於噬菌體。雖然細菌完全可以防止噬菌體以許多方式對其產生影響，但事實上完全不是。噬菌體的光合作用基因最初來自細菌，令人驚訝的是，噬菌體然後將這種基因轉移回細菌。過去1.5億年來，光合作用的相關基因在細菌和噬菌體之間來迴轉移多次。

　　事實證明，基因在病毒中的進化速度要比在細菌中快得多，因為病毒的複製過程要短得多，更有可能產生突變。細菌的基因有時會轉移到病毒中，在那裡它們可以傳播，快速進化，然後再被轉移給細菌，然後細菌可以獲得益處。所以噬菌體對細菌有用。

　　同樣，病毒也受益於基因。當病毒感染其宿主並複製時，病毒產生的數量取決於宿主可以存活多長時間。如果病毒自帶生命支持系統，也就是光合作用基因，其就可以讓細菌存活更長時間以產生更多的病毒。攜帶光合作用基因的病毒比沒有光合作用基因的病毒更具有競爭優勢。這種方式會讓病毒有選擇攜帶有利於宿主的基因。你也許會認為因為病毒具有如此高的突變率，它們的基因會迅速惡化。但是在我們所做的計算中，我們發現細菌會篩選好的基因並將其轉移到病毒中。

　　所以這裡有一個很好的例子：細菌和病毒之間的合作行為類似於一個凝聚態系統。我們可以據此建模，以便預測系統的特徵。

　　《量子雜誌》：我們一直在談論將物理學理論應用於生物學。你是否遇到過相反的情況，生物學對物理學研究有所啟示？

　　尼格爾·金菲爾德：是的。當我研究湍流時就是如此。當我晚上回家時，這讓我幡然醒悟。在去年發表的一篇論文中，我們想弄清楚一條管道中的流體是如何從平穩到湍急的。我們發現，湍流就像一個生態系統。流體有一個特定的動力學模式，就像捕食者：它試圖「吃掉」湍流，最終，我們認為流體中會發生某種類型的相變，實際上實驗也驗證了這一點。因為物理學問題可以映射到相關的生物學理論上，關於捕食者和獵物的生態學。我知道如何模擬和建模系統，並重現人們在實驗中看到的內容，清楚生物學實際上也在幫助我們了解物理學。

　　《量子雜誌》：基於物理學的生物學方法有什麼局限性？

　　尼格爾·金菲爾德：一方面，我們僅僅能基於一直理論，所以你不能做任何新的預測。 另一方面，有時在抽象化的過程中會丟失很多關鍵信息。

　　你不能太過形而上學。你必須捲起袖子，深入學習生物學，將其與實驗現象和真實數據緊密相連。這就是為什麼我們的研究往往是與實驗學家合作完成的：與同事一起，從黃石國家公園的溫泉收集微生物，在活細胞中實時觀察基因轉移，對脊椎動物的胃腸道微生物進行測序。 即便我的主業是物理學，但每天你都能在基因組生物學研究所找到我。