Мартин Ханчич: Границата между наличието и липсата на живот

Исторически погледнато има огромна пропаст между онова, което хората смятат за неживи системи от една страна, и живи системи от другата страна. Ние се колебаем от, да речем, този красив и сложен кристал като неодушевен предмет, и тази по-скоро красива и сложна котка от друга страна. През последните сто и петдесет години, науката един вид разми това разграничение между неживите и живите системи, и сега ние считаме, че може да има нещо като спектър, който съществува между двете. Ще разгледаме само един пример тук: вирусът е естествена система, нали? Но тя е много проста. Тя е много опростена. Не отговаря на всички изисквания, не притежава всички характеристики на живите системи и в действителност е паразит за другите живи системи с цел да се, да речем, възпроизвежда и еволюира.

Но това, за което ще говорим тук, тази вечер, са експерименти направени върху неживия край на този спектър -- всъщност правенето на химични експерименти в лабораторията, смесвайки заедно неживи съставки за да направим нови структури, и че тези нови структури биха могли да имат някои от чертите на живите системи. Наистина това, за което говоря тук е опита да се създаде един вид изкуствен живот.

Така че какви са тези характеристики, за които говоря? Ето ги. Първо считаме, че живите същества имат тела. Това е необходимо за да ги разграничаваме от околната среда. Живите същества също имат метаболизъм. Това е процес, чрез който живите същества могат да преобразуват ресурси от околната среда в градивни елементи, така че да могат да се поддържат и изграждат. Живите същества също имат нещо като наследствена информация. Например ние, като хора, съхраняваме нашата информация като ДНК в нашите геноми и предаваме тази информация на нашето потомство. Ако обединим първите две -- тялото и обмяната на вещества -- може да получим система, която би могла вероятно да се движи и възпроизвежда, и ако съчетаем тези неща с наследствената информация, може да получим система, която би могла да бъде по-наподобяваща на жива, а вероятно би могла и да еволюира. И така, това са нещата, които се опитваме да направим в лабораторията, да направим експерименти, които имат една или повече от тези характеристики на живота.

И така, как правим това? Ами, ние използваме моделна система, която наричаме протоклетка. Може да си мислите за това като нещо подобно на примитивна клетка. Това е прост химически модел на жива клетка, и ако се замислите, например клетка в тялото ви може да има от порядъка на милиони различни видове молекули, които трябва да си взаимодействат, да си играят в една сложна мрежа, за да произведат нещо, което наричаме живо. Това, което се опитваме да направим в лабораторията е почти същото, но от порядъка на десетки различни видове молекули -- това е драстично намаляване на сложността, но все пак се опитваме да произведем нещо, наподобяващо живо същество. И така, това което правим е, че започваме просто и постепенно усложняваме по пътя към живите системи. Помислете за момент над този цитат от Ледюк, преди сто години, имайки предвид вид синтетична биология: "Синтезът на живота, ако някога се случи, няма да бъде сензационното откритие, което обикновено свързваме с идеята." Това е първото му изявление. Така че, ако всъщност създадем живот в лабораториите, това вероятно няма да се отрази на нашия живот въобще.

"Ако приемем теорията на еволюцията, тогава първият зародиш на синтеза на живота трябва да се състои от производството на междинни форми между неорганичния и органичния свят, или между неживия и живия свят, форми, които притежават само някои от първичните характеристики на живота," -- тоест, тези, които току-що обсъдихме -- "към които други атрибути постепенно ще бъдат добавяни в процеса на развитието от еволюционните действия на околната среда." Така че ние започваме просто, създаваме някакви структури, които могат да имат някои от тези характеристики на живота, и после се опитваме да разработим това да се превърне в нещо по-наподобяващо живо. Ето как може да започнем да правим протоклетки. Ние използваме тази идея, наречена само-асемблиране. Това означава, че мога да смеся няколко химически елементи в епруветка в моята лаборатория, и тези елементи ще започнат да се само-асоциират, да образуват все по-големи и по-големи структури. Да кажем от порядъка на десетки хиляди, стотици хиляди молекули ще се съберат, за да формират голяма структура, която не е съществувала преди. И в този конкретен пример, взех няколко мембранни молекули, смесих ги в подходящата среда, и след броени секунди те формираха тези доста сложни и красиви структури тук. Тези мембрани също са доста сходни, морфологично и функционално, с мембраните в тялото ви, и ние можем да ги използваме, както се казва, за да формираме тялото на нашата протоклетка.

По същия начин, можем да работим с масни и водни системи. Както знаете, когато поставите масло и вода заедно, те не се смесват, но чрез само-асемблиране ние може да формираме хубава капчица масло, и всъщност можем да я използваме като тялото на нашия изкуствен организъм или нашата протоклетка, както ще видите по-късно. Това е просто формиране на нещо като тяло, нали? Малко архитектура. Какво да кажем за другите аспекти на живите системи? Ние направихме този модел на протоклетка тук, който ви показвам. Започнахме с естествено срещаща се глина, нарича монтморилонит. Тя е естествена от околната среда, тази глина. Образува повърхност, която е, да речем, химически активна. Може да симулираме обмяна на вещества в нея. Определен вид молекули обичат да се асоциират с глината. Така например, в този случай, РНК, показана в червено -- тя е роднина на ДНК, това е информационна молекула -- тя може да дойде и започва да се асоциира с повърхността на тази глина. Тази структура, после, може да организира формирането на мембранна граница около себе си, така че може да направи тяло от течни молекули около себе си, и това е показано в зелено тук, на тази микроснимка. Така че просто чрез само-асемблиране, смесване на неща в лабораторията, може да постигнем, да речем, метаболитна повърхността с няколко информационни молекули, прикрепени вътре в това мембранно тяло, нали?

Така че ние сме на път към живите системи. Но ако сте видяли тази протоклетка, не бихте я объркали с нещо, което е всъщност оживотворено. Тя е всъщност доста безжизнена. Веднъж след като се формира, тя всъщност не прави нищо. Така че нещо липсва. Някои неща липсват. Някои от нещата, които липсват, например, ако имахте поток от енергия през система, това, което бихте искали е протоклетката да може да улови част от тази енергия, за да се самоподдържа, подобно на живите системи. Така че ние измислихме различен протоклетъчен модел, и този всъщност е по-прост от предишния. В този протоклетъчен модел, това е просто капчица масло, но химически метаболизъм вътре, който позволява на тази протоклетка да използва енергия, за да прави нещо, всъщност да стане динамична, както ще видим тук. Добавяте капчицата към системата. Това е вана с вода, и протоклетката започва да се движи из системата. Разбирате ли? Маслената капчица се формира чрез само-асемблиране, има химически метаболизъм вътре, така че може да използва енергия, и тя използва тази енергия, за да се премества сред нейната среда.

Както чухме по-рано, движението е много важно при тези живи системи. Клетката се движи наоколо, изследва нейната среда, преобразува средата си, както виждате, от тези химически вълни, които се образуват от протоклетката. Така че тя действа, в известен смисъл, като жива система, опитваща се да се запази. Ние взехме същата движеща се протоклетка тук, и я поставихме в друг експеримент, задвижихме я. После добавихме малко храна към системата, и вие виждате това нещо в синьо тук, нали? Така че аз добавих източник на храна към системата. Протоклетката се движи. Тя се натъква на храната. Тя се преконфигурира и всъщност после може да се изкачи до най-високата концентрация на храна в тази система и да се спре там. Разбирате ли? Така че не само имаме тази система, която има тяло, има метаболизъм, може да използва енергия, да се движи наоколо. Тя може да усети заобикалящата среда и всъщност да намери ресурси в заобикалящата я среда, за да я поддържат.

Сега, тя няма мозък, няма нервна система. Това е просто един сак с химически елементи, който може да има това интересно и сложно животоподобно поведение. Ако преброим броя на химикалите в тази система, всъщност, включително и водата, която е в паничката, ние имаме пет химикали, които могат да направят това. После поставяме тези протоклетки заедно в един експеримент, за да видим какво биха направили, и в зависимост от условията, имаме някои протоклетки от ляво, които се движат наоколо и обичат да се докосват до други структури в тяхната среда. От друга страна имаме две движещи се протоклетки, които обичат да се обикалят, и те формират нещо като танц, сложен танц една с друга. Нали? Така че не само, че индивидуалните протоклетки имат поведение, което тълкуваме като поведение в тази система, но ние също имаме нещо като поведение на ниво на популацията, подобно на това, което имат организмите. Така че сега когато всички сте експерти по протоклетки, ще направим една игра с тези протоклетки. Ще направим два различни вида. Протоклетка А има определен вид химически вещества вътре, които, когато се активират карат протоклетката да започне да вибрира наоколо, просто да танцува. Но не забравяйте, че това са примитивни неща, така че танцуващи протоклетки са много интересни за нас. (Смях)

Втората протоклетка има по-различна химия вътре, и когато се активира, протоклетките се събират и се обединяват в една по-голяма. Разбирате ли? И ние просто слагаме тези двете заедно в една и съща система. Така че има популация А, има популация Б, и после активираме системата, и протоклетките Б, те са сините, те се събират. Те се обединяват, за да образуват едно голямо петно, а другите протоклетки просто танцуват наоколо. И това продължава докато цялата енергия в системата е използвана, и след това, играта свършва. После повторих този експеримент няколко пъти, и един път се случи нещо много интересно. И така, аз добавих тези протоклетки заедно в системата, и протоклетка А и протоклетка Б се обединиха, за да формират хибридна протоклетка АБ. Това не се беше случвало преди. Ето как става. Сега в тази система има протоклетка АБ. Протоклетка АБ обича да танцува наоколо за малко, докато протоклетка Б извършва смесването, нали?

Но после се случва нещо още по-интересно. Наблюдавайте, когато тези две големи протоклетки, хибридните, се слеят. Сега имаме танцуваща протоклетка и саморепликиращо се събитие. Нали така. (Смях) Просто с петна от химикали, отново. Така че начина, по който работи това е, че имате проста система от пет химикали тук, проста система там. Когато те се кръстосват, се формира нещо, което е различно от преди, по-сложно, отколкото преди, и се получава зародиша на друг вид животонаподобяващо поведение, което в този случай е репликация.

И така, понеже можем да направим някои интересни протоклетки, които ни харесват, с интересни цветове и интересно поведение, и те са много лесни за направа, и имат интересни животонаподобяващи свойства, може би тези протоклетки могат да ни разкажат нещо за произхода на живота на Земята. Може би те представляват лесно достъпна стъпка, една от първите стъпки, чрез които животът започнал в древната Земя. Определено е имало молекули, присъстващи в древната Земя, но те не са били тези чисти съединения, с които работим в лабораторията, и които ви показах в тези експерименти. По-скоро, те били истински сложна смес от всякакви неща, защото неконтролирани химически реакции произвеждат разнообразна смес от органични съединения. Мислете си за това като първична тиня, нали? И това е басейн, който е твърде трудно да бъде напълно характеризиран, дори от съвременни методи, и продуктът изглежда кафяв, като този катран тук в ляво. Чисто съединение е показано в дясно, за сравнение.

Така че това е подобно на онова, което се случва, когато вземете чисти кристали захар в кухнята, поставите ги в тиган и приложите енергия. Когато увеличавате топлината, започвате да разрушавате химическите връзки в захарта, формирайки кафеникав карамел, нали? Ако позволите това да продължи нерегулирано, ще продължите да образувате и нарушавате химически връзки, формиращи дори по-разнообразна смес от молекули, които после образуват това черникаво лепкаво вещество в тигана ви, нали, което е трудно за измиване. Та ето как може да е изглеждал произхода на живота. Трябва да получите живот от този боклук, който присъствал в древната Земя, преди четири, 4,5 милиарда години. Така че предизвикателството е, да изхвърлите всички чисти химически вещества от лабораторията, и да се опитате да направите протоклетки с животонаподобяващи характеристики от този вид първоначална тиня.

Така че ние можем да видим само-асемблирането на тези капчици масло отново, което видяхме преди, и черните петна там вътре представляват нещо като черен катран -- този разнороден, много сложен, органичен черен катран. И ние ги поставихме в един от тези експерименти, които видяхте по-рано, и после гледахме оживеното движение, което се породи. Те изглеждат наистина добре, много добре се движат, и също изглежда, че имат нещо като поведение, при което се обикалят в кръг и се следват взаимно, подобно на онова, което видяхме преди -- но отново, работейки само с първични условия, без чисти химически вещества. Тези също, тези работещи с катран протоклетки, също могат да намират ресурси в тяхната среда. Ще добавя малко ресурс от ляво, тук, който се разтваря в системата, и можете да видите, те наистина харесват това. Те стават много енергични и способни да открият ресурса в обкръжаващата среда, подобно на онова, което видяхме преди. Но отново, това се извършва в тези първични условия, наистина мръсни условия, не в стерилни лабораторни условия. Това са много мръсни малки протоклетки, всъщност. (Смях) Но те имат животонаподобяващи свойства, това е важно.

И така, извършвайки тези експерименти с изкуствен живот, ни помага да определим потенциалния път между неживите и живите системи. И не само това, но това ни помага да разширим мнението си, за какво е живота и какъв възможен живот може да има някъде там -- живот, който може да бъде много по-различен от живота, който откриваме тук на Земята. И това ме води към следващия термин, който е "странен живот." Това е термин от Стив Бенър. Използва се във връзка с доклад от 2007 г. от Националния съвет за научни изследвания в Съединените щати, в който те се опитват да разберат как можем да търсим живот другаде във Вселената, нали, особено, ако този живот е много по-различен от живота на Земята. Ако отидем на друга планета и решим, че може да има живот там, как бихме могли дори да го разпознаем като живот?

Ами, те излязоха с три много общи критерии. Първият е -- и те са изброени тук. Първият е, системата трябва да бъде в липса на равновесие. Това означава, че системата не може да бъде мъртва, в действителност. Общо казано, това означава, че имате приток на енергия в системата, която живите същества могат да използват и експлоатират, за да се самоподдържат. Това е подобно на Слънцето да огрява Земята, да подпомага фотосинтезата, да задвижва екосистемата. Без Слънцето, най-вероятно няма да има живот на тази планета. Второ, животът трябва да бъде в течна форма, така че това означава, че дори ако имахме някои интересни структури, интересни молекули заедно, но те бяха твърдо замразени, тогава това не е добро място за живот. И трето, трябва да можем да образуваме и нарушаваме химически връзки. И отново, това е важно, понеже животът преобразува ресурси от околната среда в градивни елементи, така че може да се самоподдържа.

Днес ви разказах за много странни и необикновени протоклетки -- някои, които съдържат глина, някои, които имат първична тиня в тях, някои, които съдържат по същество масло, вместо вода вътре в тях. Повечето от тях не съдържат ДНК, но въпреки това имат животоподобни свойства. Но тези протоклетки отговарят на тези общи изисквания за живи системи. Така че като правим тези химически експерименти с изкуствен живот, ние се надяваме, не само да разберем нещо фундаментално за произхода на живота и съществуването на живота на тази планета, но също какъв възможен живот може да има някъде във Вселената. Благодаря ви. (Ръкопляскане)