Лий Кронин: Вдъхване живот на материята

Това, което ще се опитам да направя в следващите 15 минути, е да ви разкажа за една идея за това как да дадем живот на материята. Така казано, това може да изглежда доста амбициозно, но когато се вгледате в себе си, когато погледнете ръцете си, вие осъзнавате, че сте живи. Така че това е едно начало. Това дирене е започнало преди четири милиарда години на планетата Земя. Имало е четири милиарда години органичен, биологичен живот. И като неорганичен химик, моите приятели и колеги правят това разграничение между органичния, жив свят и неорганичния, мъртъв свят. И това, което аз ще се опитам да направя, е да засадя някои идеи за това как можем да преобразуваме неорганична, мъртва материя в жива материя, в неорганична биология.

Преди да направим това, искам един вид да поставя биологията на мястото й. И аз съм абсолютно очарован от биологията. Обожавам да правя синтетична биология. Обичам неща, които са живи. Обичам да манипулирам инфраструктурата на биологията. Но в рамките на тази инфраструктура, ние трябва да помним, че движещата сила на биологията в действителност идва от еволюцията. И еволюцията, въпреки че е установена преди над 100 години от Чарлз Дарвин и огромен брой други хора, еволюцията все още е малко неосезаема. И когато говоря за еволюцията на Дарвин, аз имам предвид едно единствено нещо, и това е оцеляването на най-силният. Така че забравете за еволюцията като някакъв метафизичен начин. Мислете за еволюцията от гледна точка на състезаващи се поколения, някои от които побеждават.

И така, имайки предвид това, като химик, аз исках да си задам въпроса, докато бях разочарован от биологията: Каква е минималната единица материя, която може да бъде подложена на дарвиновата еволюция? И това изглежда доста задълбочен въпрос. И като химици, ние не сме свикнали на задълбочени въпроси всеки ден. Така че, когато се замислих за това, после изведнъж осъзнах, че биологията ни е дала отговора. И всъщност, най-малката единица на материята, която може да се развива независимо е, в действителност, една единствена клетка -- една бактерия.

Така че това повдига три много важни въпроси: Какво е животът? Биологията специална ли е? Биолозите изглежда мислят така. Материята може ли да еволюира? Сега, ако отговорим на тези въпроси в обратен ред, третия въпрос -- материята дали еволюира? -- ако можем да отговорим на това, тогава ние ще знаем колко специална е биологията, и може би, просто може би, ще имаме някаква представа за това какво наистина е животът.

Ето това е неорганичен живот. Това е мъртъв кристал, и аз ще му направя нещо, и той ще оживее. И както може да се уверите, той един вид се опрашва, покарва, расте. Това е неорганична тръба. И всички тези кристали тук под микроскопа бяха мъртви преди няколко минути, и сега те изглеждат живи. Разбира се, те не са живи. В химичен експеримент направих кристална градина. Но когато видях това, бях наистина поразен, защото приличаше на живо. Като спра за няколко секунди, погледнете екрана. Можете да видите растяща архитектура, запълваща празното пространство. И това е мъртво. И аз бях уверен, че ако някак си можем да накараме нещата да имитират живота, нека да направим още една крачка напред. Нека видим дали в действителност можем да създадем живот.

Но има проблем, защото досега, може би допреди едно десетилетие, ни се казваше, че животът е невъзможен, и че ние сме най-невероятното чудо във Вселената. Всъщност ние бяхме единствените хора във Вселената. Сега, това е малко скучно. Затова, като химик, аз исках да кажа: "Почакайте. Какво става тук? Животът толкова ли е невероятен?" И това наистина е въпросът. Мисля, че може би появата на първите клетки е била също толкова възможна, колкото появата на звездите. И всъщност нека отидем една стъпка по-напред. Нека кажем, че ако термоядрената физика е закодирана във Вселената, може би също е и физиката на живота. И тогава проблемът на химиците -- и това е и огромно предимство -- е, че ние обичаме да се фокусираме върху нашите съставни части. В биологията, въглеродът заема централно място. И във вселена, в която въглеродът съществува и органичната биология, тогава ние имаме това невероятно разнообразие на живот. Всъщност, ние имам толкова удивителни форми на живот, които да манипулираме. Ние сме ужасно внимателни в лабораторията, опитвайки се да избегнем различни биологични опасности.

А какво се случва с материята? Ако можем да вдъхнем живот на материята, бихме ли имали материални опасности? Помислете, това е сериозен въпрос. Ако химикалката ви можеше да се репликира, това би бил известен проблем. Значи трябва да мислим различно, ако ще правим разни неща живи. И също така трябва да сме наясно с последиците. Но преди да правим живот, нека помислим за секунда с какво наистина се характеризира животът. Простете за сложната диаграма. Това е просто набор от пътища в клетката. И очевидно за нас клетката е нещо очарователно. Синтетичните биолози я манипулират. Химиците се опитват да изучават молекулите, за да гледат за болести. И вие имате всички тези пътища, извиващи се едновременно. Имате регулация, информация бива преписвана, създават се катализатори, стават разни неща. Но какво прави една клетка? Ами дели се, съревновава се, оцелява. И аз мисля, че тук е мястото, където трябва да започнем по отношение на мислене за това да строим според нашите идеи в живота.

Но с какво друго се характеризира животът? Е, харесва ми да мисля за него като пламък в бутилка. И така това, което имаме тук, е описание на единични клетки, репликиращи се, метаболизиращи, изгаряни чрез химикали. И ние трябва да разберем, че ако ще правим изкуствен живот или разберем произхода на живота, ние трябва да го снабдим с енергия по някакъв начин. Така че, преди да можем наистина да започнем да създаваме живот, трябва да се замислим дълбоко той от къде е дошъл. Самият Дарвин размишлява в писмо до колега, че мисли, че вероятно животът е възникнал някъде в някое малко топло езеро -- може би не в Шотландия, може би в Африка, може би някъде другаде. Но истинският честен отговор е -- ние просто не знаем, защото има проблем с произхода. Представете си как преди четири и половина милиарда години има една огромна супа от химически съставки. И от тези съставки сме произлезли ние.

Така че, когато мислите за невероятното естество на това, което ще ви кажа в следващите няколко минути, просто си спомнете, че ние сме произлезли от съставки на планетата Земя. И сме минали през различни светове. РНК хората обичат да говорят за РНК свят. Ние някак си достигнахме до протеини и ДНК. Ние тогава стигнахме до последния прародител. Еволюцията влиза в действие -- и това е готината част. И ето ни тук. Но има една пречка, през която не можем да минем. Можем да декодираме генома, можем да погледнем назад, можем да се свържем всички чрез митохондриална ДНК, но не можем да отидем по-далеч от последния прародител, последната видима клетка, която можем да проследим в историята. Така че не знаем как сме дошли тук.

И така имаме две възможности: интелигентен дизай, директен и индиректен -- значи Господ, или моят приятел. Сега, да говорим, че И.Т. ни е поставил тук, или някаква друга форма на живот, просто избутва проблема по-нататък. Аз не съм политик, аз съм учен. Другото нещо, за което трябва да мислим, е появата на химическа сложност. Това изглежда най-вероятно. Така че ние имаме някаква първична супа. И тя се случва да бъде добър източник на всички 20 аминокиселини. И някак си тези аминокиселини се комбинират, и животът започва. Но какво означава това, животът започва? Какво е животът? Каква е съставката на живота?

През петдесетте години, Милър-Урей направиха своя фантастичен Франкенщайн-химически експеримент, където направиха еквивалента в химичния свят. Те взеха основните съставки, сложиха ги в един буркан и ги възпламениха, и пуснаха през тях доста волтове. И погледнаха това, което беше в супата, и намериха аминокиселини, но нищо не излезе, нямаше клетка. И цялата област беше зациклила за известно време и беше преоткрита през 80-те, когато аналитичните и компютърните технологии изникваха.

В моята собствена лаборатория, начинът, по който се опитваме да създадем неорганичен живот, е да използваме много различни реакционни формати. И това, което се опитваме да направим, е да правим реакции -- не в една колба, ами в десетки колби, и да ги свързваме, както може да видите на тази преливаща система, всички тези тръби. Можем да го направим микрофлуидно, можем да го направим литографично, можем да го направим на 3D принтер, можем да го направим в капчици за колеги. И ключът е да имаме много комплексна химия, кипяща. Но това вероятно ще завърши с провал, затова трябва да бъдем по-фокусирани.

И отговорът, разбира се, лежи в мишките. Така помня това, от което имам нужда като химик. Казвам: "Ами, искам молекули." Но имам нужда и от метаболизъм, имам нужда от енергия. Имам нужда от информация и имам нужда от контейнер. Защото ако искам еволюция, имам нужда контейнерите да се съревновават. Значи ако имаш контейнер, е като да влезеш в колата си. "Това е моята кола и аз ще карам наоколо и ще показвам колата си." И предполагам, че има подобно нещо и в клетъчната биология във връзка с появата на живота. И тези неща заедно ни дават еволюция, вероятно. И начинът да се изпробва в лаборатория е да се направи минимално.

И това, което ще се опитаме да направим, е да измислим неорганичен лего комплект от молекули. И сега, простете за молекулите на екрана, но това е много опростен комплект. Има може би три или четири различни вида съвременни строителни блока. И ние можем да ги съединим и буквално да направим хиляди и хиляди наистина големи нано-молекулни молекули с големината на ДНК и протеини, но без въглерод. Въглеродът е отстранен. И с този лего комплект ние имаме необходимото разнообразие за складиране на комплексна информация без ДНК. Но трябва да направим и контейнери. И само преди няколко месеца в моята лаборатория, ние успяхме да вземем точно тези молекули и да направим клетки от тях. И може да видите на екрана клетка, която се създава. И сега ще сложим в нея малко химия и ще направим малко химия в клетката. И всичко, което исках да ви покажа, е, че ние можем да поставяме молекули в мембрани, в истински клетки, и това поставя някакъв вид молекулярен дарвинизъм, молекулярно оцеляване на най-силния.

И този филм тук показва това съревнование между молекулите. Молекулите се съревновават за разни работи. Те всички са направени от едно и също нещо, но те искат тяхната форма да спечели. Те искат тяхната форма да се запази. И това е ключът. Ако някак можем да насърчим тези молекули да си говорят помежду си, и да правят правилните форми, и да се съревновават, те ще започнат да формират клетки, които ще се репликират и ще се съревновават. Ако успеем да направим това, забравете молекулярния детайл.

Нека погледнем какво би означавало това. Значи ние имаме тази специална теория за еволюцията, която включва само органична биология, за нас. Ако можем да поместим еволюцията в материалния свят, тогава, предполагам, ще имаме обща теория на еволюцията. И наистина си струва да се мисли за това. Дали еволюцията контролира усъвършенстването на материята във Вселената? Има ли някаква сила, тласкаща към еволюция, която позволява на материята да се съревновава? Значи това означава, че можем да започнем да развиваме различни платформи за изследване на тази революция. Представете си, ако можехме да създадем самоподдържаща се изкуствена форма на живот, това не само ще ни доведе до откриването на произхода на живота -- че е възможно Вселената да няма нужда от въглерод, за да живее, може да използва всичко -- можем да направим още една крачка напред и да развием нови технологии, защото тогава ще можем да използваме софтуерен контрол за да кодираме еволюцията.

Представете си, че можем да направим малка клетка. Искаме да я поставим навън в околната среда и искаме тя да бъде захранвана от Слънцето. Това, което ще направим, е да я оставим да еволюира в кутия с включена светлина. И няма да използваме дизайн. Ще намерим това, което работи. Трябва да вземем нашето вдъхновение от биологията. Биологията не се интересува от дизайна, освен ако той работи. Това ще преобразува начинът, по който проектираме нещата. Но не само това, ще започнем да мислим за това как можем да започнем да развиваме симбиотична връзка с биологията. Няма ли да бъде страхотно, ако можехте да вземете тези изкуствени клетки и да ги смесите в биологични такива, за да поправите проблеми, с които наистина не можем да се справим? Истинският предмет на клетъчната биология е, че ние никога няма да разберем всичко, защото това е многомерен проблем, поставен от еволюцията. Еволюцията не може да бъде разкъсана. Трябва някак да намерите правилната функция. И дълбокото осъзнаване за мен е, че ако това работи, концепцията за егоистичния ген бива избутана едно ниво нагоре, и ние наистина започваме да говорим за егоистична материя.

И какво означава това във Вселена, където сега ние сме най-висшата форма на материя? Вие седите на столове. Те са неодушевени, те не са живи. Но вие сте направени от материя и използвате материя, и заробвате материя. Значи използването на еволюцията в биологията, и в органичната биология за мен е доста привлекателно, доста вълнуващо. И ние наистина достигаме все по-близо до това да разберем ключовите стъпки, които карат мътвата материя да оживее. И отново, когато мислите за това колко невероятно е това, помнете, преди пет милиарда години ние не сме били тук и не е имало живот. И какво ни казва това

за произхода на живота и смисъла на живота? Но може би, за мен като химик, искам да стоя настрана от всеобщите термини, искам да мисля за детайлите. Какво означава да определиш живота? Ние наистина се мъчим да направим това. И мисля, че ако можем да накараме неорганичната биология, и можем да накараме материята да стане еволюираща, това всъщност ще определи живота. Предлагам ви, че материята, която може да еволюира, е жива, и това ни дава идеята да направим еволюираща материя.

Много ви благодаря.

(Аплодисменти)

Крис Андерсън: Само един бърз въпрос за срока. Вярвате ли, че ще успеете в този проект? Кога?

Лий Кронин: Толкова много хора мислят, че животът е имал нужда от милиони години, за да се появи. Ние предлагаме да го направим само за няколко часа, след като веднъж установим правилната химия.

К.А.: И кога мислите ще стане това?

Л.К.: Надяваме се в рамките на следващите две години.

К.А.: Това би била голяма история. (Смях) В ума Ви какви вярвате са шансовете да се разхождате на някоя друга планета, на която има живот не базиран на въглерода, да се разхождате или да се просмуквате, или нещо подобно?

Л.К.: Мисля, че е 100 процента. Защото работата е там, че ние сме толкова шовинистични спрямо биологията, ако премахнете въглерода, има други неща, които могат да се случат. Значи другото нещо -- ако сме способни да създаден живот, който не е базиран на въглерода, вероятно ще можем да кажем на НАСА какво точно да търси. Не ходете да търсите въглерод, ходете и търсете еволюираща материя.

К.А. Лий Кронин, успех. (Л.К.: Много благодаря.)

(Аплодисменти)