Martin Hanczyc: Die Linie zwischen Leben und Nicht-Leben

Also, in der Geschichte gab es einen großen Spalt zwischen dem, was die Menschen als nicht-lebende Systeme betrachtet haben auf der einen Seite und lebenden Systemen auf der anderen Seite. Wir nehmen also, sagen wir, diesen schönen und komplexen Kristall als Nicht-Leben und diese auch sehr schöne und komplexe Katze auf der anderen Seite. Über die letzten cirka 150 Jahre hat die Wissenschaft diese Unterscheidung etwas verwischt, zwischen nicht-lebenden und lebenden Systemen, und jetzt finden wir, dass da eine Art Kontinuum zwischen den beiden existieren könnte. Wir nehmen hier einfach ein Beispiel: ein Virus ist ein natürliches System, richtig? Aber es ist sehr einfach. Es ist sehr simplistisch. Es erfüllt nicht wirklich alle Voraussetzungen, es hat nicht alle Eigenschaften eines lebenden Systems und ist de Fakto ein Parasit auf anderen lebenden Systemen um sich, sagen wir, zu reproduzieren und weiter zu entwickeln.

Aber worüber wir hier sprechen werden, heute Abend, sind Experimente sozusagen am nicht-lebenden Ende dieses Spektrums -- also eigentlich machen wir chemische Experimente im Labor, bei denen wir nicht-lebende Zutaten vermischen und neue Strukturen schaffen, und wo diese neuen Strukturen vielleicht manche der Eigenschaften von lebenden Systemen haben. Worüber ich hier wirklich spreche, ist der Versuch, künstliches Leben herzustellen.

Also was sind diese Eigenschaften, über die ich spreche? Das sind sie. Wir nehmen zuerst an, dass Leben einen Körper hat. Das ist notwendig, damit es sich von seiner Umwelt abgrenzen kann. Leben hat also einen Stoffwechsel. Das ist ein Prozess, in dem Leben Ressourcen der Umwelt in Bauklötze verwandeln kann, um sich selbst zu erhalten und zu erbauen. Leben hat auch eine Art erbliche Information. Wir, als Menschen, wir bewahren unsere Information in Form von DNS in unseren Genomen auf und wir geben diese information unserem Nachwuchs weiter. Wenn wir die ersten beiden verbinden – den Körper und den Stoffwechsel – können wir ein System bekommen, das sich vielleicht bewegen und vervielfachen könnte, und wenn wir diese mit der erblichen Information verbinden, können wir ein System bekommen, das viel lebensechter wäre und sich vielleicht weiterentwickeln würde. Und das sind die Dinge, die wir im Labor schaffen möchten, Experimente machen, die eine oder mehr dieser Eigenschaften des Lebens besitzen.

Wie tun wir das? Also, wir verwenden ein Modellsystem, das wir Protozelle nennen. Sie können sich das wie eine Art primitive Zelle vorstellen. Es ist ein einfaches chemisches Modell einer lebenden Zelle, und wenn Sie annehmen, dass eine Zelle in Ihrem Körper, zum Beispiel, Millionen von verschiedenen Arten von Molekülen hat, die zusammenkommen müssen, in einem komplexen Netz zusammenspielen müssen, um etwas, das wir lebendig nennen, zu erschaffen. Was wir im Labor machen wollen, ist so ziemlich das gleiche, aber mit ein paar Dutzend von verschiedenen Arten von Molekülen – so eine drastische Verringerung der Komplexität, aber dennoch der Versuch, etwas Lebensechtes zu schaffen. Und was wir tun ist, wie beginnen einfach und arbeiten uns hoch zu den lebenden Systemen. Ziehen Sie für einen Moment dieses Zitat von Leduc in Betracht, von vor 100 Jahren, das eine Art synthetischer Biologie bespricht: "Die Synthese des Lebens, wenn sie jemals vorkommt, wird nicht die sensationelle Entdeckung sein, die wir gewöhnlich mit der Idee in Verbindung bringen." Das ist seine erste Aussage. Wenn wir also wirklich im Labor Leben schaffen, wird es wahrscheinlich gar keine Auswirkung auf unser Leben haben.

"Wenn wir die Theorie der Evolution annehmen, dann muss das erste Aufkommen der Synthese des Lebens aus der Produktion von Formen zwischen der inorganischen und der organischen Welt, oder zwischen der nicht-lebenden und der lebenden Welt bestehen, Formen, die nur ein paar grundlegende Eigenschaften des Lebens besitzen" -– also die, die ich gerade besprochen habe – "zu denen andere Eigenschaften im Laufe der Entwicklung von der Evolution der Umwelt selbst langsam hinzugefügt werden." Wir starten also einfach, wir schaffen ein paar Strukturen, die manche dieser Eigenschaften des Lebens haben könnten, und dann versuchen wir, das weiter zu entwickeln um es lebensechter zu machen. So können wir beginnen, eine Protozelle zu schaffen. Wir verwenden diese Idee, die sich Selbst-Anordnung nennt. Das bedeutet, dass ich ein paar Chemikalien in einem Reagenzglas in meinem Labor vermischen kann, und diese Chemikalien werden beginnen, sich selbst anzuordnen und größere und größere Strukturen zu bilden. Also sagen wir, zehntausende oder hunderttausende Moleküle werden sich formen und eine große Struktur bilden, die zuvor nicht existiert hat. Und in diesem bestimmten Fall habe ich Zellhautmoleküle genommen, sie in der richtigen Umgebung zusammengemischt und innerhalb von Sekunden formen sie diese recht komplexen und schönen Strukturen hier. Diese Membranen sind auch ähnlich, morphologisch und funktionell, den Membranen in Ihrem Körper, und wir können sie verwenden, sozusagen, um den Körper unserer Protozelle zu bauen.

Ebenso können wir mit Öl- und Wassersystemen arbeiten. Wie Sie wissen, wenn Sie Öl und Wasser zusammenbringen, vermischen sie sich nicht, aber durch Selbst-Anordnung können wir einen netten Öltropfen schaffen und wir können ihn als Körper verwenden für unseren künstlichen Organismus oder für unsere Protozelle, wie Sie später sehen werden. Also, das ist nur das Formen von Körperzeug, richtig? Einige Architekturen. Was ist mit den anderen Aspekten lebender Systeme? Wir haben uns dieses Protozellenmodell ausgedacht, das ich hier zeige. Wir haben mit einem natürlich vorkommenden Mörtel begonnen, der Montmorillonit heißt. Der ist natürlich aus der Umwelt, dieser Mörtel. Er bildet eine Oberfläche, die, sagen wir, chemisch aktiv ist. Er könnte einen Stoffwechself darauf laufen haben. Bestimmte Arten von Molekülen assoziieren sich gerne mit dem Mörtel. Zum Beispiel, in diesem Fall, RNS, in rot gezeigt – das ist ein Verwandter der DNS, es ist ein Informationsmolekül – es kann ankommen und es beginnt sich mit der Oberfläche dieses Mörtels zu verbinden. Die Struktur kann dann die Formation einer Membrangrenze um sich selbst organisieren also kann es einen Körper flüssiger Moleküle um sich selbst formen, und das ist hier auf diesem Mikrograph in grün dargestellt. Also nur durch Selbst-Anordnung, Dinge im Labor zusammenmischen, können wir zum Beispiel eine metabolische Oberfläche mit einigen Informationsmolekülen in ihrem Membrankörper schaffen, richtig?

Wir sind also auf dem Weg zu lebenden Systemen. Aber wenn Sie diese Protozelle sehen würden, würde Sie sie nicht mit etwas, das tatsächlich lebt, verwechseln. Sie ist sogar sehr lebenslos. Wenn sie sich einmal bildet, tut sie eigentlich nicht wirklich etwas. Also, etwas fehlt. Ein paar Dinge fehlen. Also diese fehlenden Dinge sind, zum Beispiel, wenn Sie einen Energiefluss durch ein System hätten, was wir dann wollen würden ist eine Protozelle, die einen Teil dieser Energie ernten kann, um sich zu erhalten, so wie es lebende Systeme tun. Also haben wir ein anderes Modell einer Protozelle erstellt, die ist sogar einfacher als die vorherige. In diesem Protozellenmodell, das nur ein Öltröpfchen ist, befindet sich ein chemischer Stoffwechsel, der es dieser Protozelle erlaubt, Energie zu verwenden um etwas zu tun, um dynamisch zu werden, wie wir hier sehen werden. Sie geben das Tröpfchen in ein System. Es ist eine Wasserpfütze und die Protozelle beginnt, sich durch das System zu bewegen. Okay? Das Öltröpfchen formt sich durch Selbst-Anordnung, hat innen einen chemischen Stoffwechsel, damit es Energie verwenden kann, und es verwendet diese Energie um sich selbst in seiner Umwelt zu bewegen.

Wie wir zuvor gehört haben, ist Bewegung sehr wichtig in dieser Art lebender Systeme. Es bewegt sich, erforscht seine Umgebung, formt seine Umgebung um, wie Sie sehen, durch chemische Wellen, die die Protozelle bildet. Es benimmt sich auf gewisse Weise wie ein lebendiges System, das sich selbst zu erhalten versucht. Wir nehmen diese selbe sich bewegende Protozelle und nehmen sie für ein anderes Experiment, bringen sie in Bewegung. Dann werde ich etwas Nahrung zum System hinzufügen, und Sie sehen das Blaue hier, richtig? Also füge ich eine Nahrungsquelle zum System hinzu. Die Protozelle bewegt sich. Sie trifft auf die Nahrung. Sie gestaltet sich um und kann dann zur höchsten Konzentration an Nahrung in diesem System klettern und dort stoppen. Ok? Wir haben also nicht nur dieses System, das einen Körper hat, sondern es hat auch einen Stoffwechsel, kann Energie verwenden und sich herumbewegen. Es kann seine lokale Umgebung spüren und in dieser Umwelt Ressourcen finden um sich selbst zu erhalten.

Nun, es hat kein Gehirn, es hat kein Nervensystem. Es ist nur ein Bündel Chemikalien, das fähig ist, dieses interessante und komplexe lebensähnliche Verhalten zu zeigen. Wenn wir die Anzahl von Chemikalien in diesem System zählen, inklusive des Wassers, das in der Schale ist, haben wir fünf Chemikalien, die das tun können. Dann geben wir diese Protozellen in einem einzigen Experiment zusammen und sehen, was sie tun und abhängig von den Voraussetzungen, haben wir einige Protozellen links, die sich bewegen und die anderen Strukturen in ihrer Umgebung gerne bewegen. Auf der anderen Seite haben wir zwei sich bewegende Protozellen, die sich gerne umkreisen und eine Art Tanz bilden, einen komplexen Tanz miteinander. Ja? Also haben nicht nur individuelle Protozellen ein Verhalten, das wir als Verhalten in diesem System interpretiert haben, sondern wir haben auch Verhalten fast wie auf dem Level einer Bevölkerung, wie es auch Organismen aufweisen. Jetzt wo Sie alle Experten für Protozellen sind werden wir mit diesen Protozellen ein Spiel spielen. Wir werden zwei verschiedene Arten machen. Protozelle A hat eine Art Chemie in sich, die sie, wenn sie aktiviert wird, herumvibrieren lässt, quasi tanzen. Erinnern Sie sich, das sind primitive Dinge, also sind tanzende Protozellen schon sehr interessant für uns. (Gelächter)

Die zweite Protozelle hat eine andere Chemie in sich, die, wenn aktiviert, alle Protozellen zusammenkommen und sich zu einer einzigen Großen verbinden lässt. Ja? Und wir geben diese beiden zusammen, im gleichen System. Da ist also Bevölkerung A, da ist Bevölkerung B, und dann aktivieren wir das System und die Protozellen B, das sind die blauen, kommen alle zusammen. Sie verbinden sich und formen einen großen Tropfen. Und die anderen Protozellen tanzen nur herum. Und das passiert nur, bis alle Energie aus dem System verbraucht ist und dann ist das Spiel aus. Also habe ich dieses Experiment ein paar Mal wiederholt und einmal ist etwas sehr interessantes passiert. Ich habe also die Protozellen zusammen ins System gegeben und Protozellen A und B haben sich zu einer hybriden Protozelle AB verbunden. Das war zuvor nicht passiert. Sehen Sie. Da ist jetzt eine Protozelle AB in diesem System. Sie tanzt gerne eine Weile herum, währen die Protozelle B die Verbindung übernimmt.

Aber dann passiert etwas noch Interessanteres. Sehen Sie wie diese zwei großen Protozellen, die hybriden, sich verbinden. Wie haben jetzt ein tanzende Protozelle und einen Akt der Selbstkopie. Ok. (Gelächter) Wieder nur mit zwei Klecksen von Chemikalien. Das funktioniert so, dass Sie hier ein simples System von fünf Chemikalien haben, und hier auch ein simples System. Wenn sie sich kreuzen, erhalten Sie etwas anderes als vorher, etwas das komplexer ist als das vorherige System und Sie sehen das Auftauchen einer anderen Art lebensähnlichen Verhaltens, in diesem Fall ist das Replikation.

Da wir also ein paar interessante Protozellen machen können, die uns gefallen, mit interessanten Farben und interessantem Verhalten, und sie leicht zu machen sind, und sie interessante lebensähnliche Eigenschaften haben, vielleicht haben diese Protozellen uns etwas über den Ursprung des Leben auf der Erde zu sagen. Vielleicht stellen sie einen leicht zugänglich Schritt dar, einen der ersten Schritte, wie das Leben auf der frühen Erde begonnen hat. Es gab definitiv Moleküle auf der frühen Erde, aber sie waren wahrscheinlich nicht diese puren Verbindungen, mit denen wir im Labor gearbeitet haben und die ich in diesen Experimenten gezeigt habe. Sie waren wohl eher eine sehr komplexe Mischung aus allen möglichen Sachen, weil unkontrollierte chemische Reaktionen eine diverse Mischung aus organischen Inhaltsstoffen produzieren. Stellen Sie es sich wie eine Art Urschlamm vor, OK? Und er befindet sich in einer Pfütze, die selbst durch moderne Methoden nur schwer ganz zu charakterisieren ist, und das Produkt sieht braun aus, wie dieser Teer hier auf der linken Seite. Eine pure Verbindung sehen Sie rechts, für den Kontrast.

Das ist ähnlich wie was passiert, wenn Sie pure Zuckerkristalle aus Ihrer Küche nehmen, sie in eine Pfanne geben und Energie applizieren. Wenn sie die Hitze hochdrehen, beginnen Sie, chemische Verbindungen im Zucker zu formen oder zu zerbrechen, und es bildet sich ein braunes Karamell, richtig? Wenn Sie das unreguliert weitermachen, werden Sie weiter chemische Verbindungen formen und zerbrechen, und eine noch facettenreichere Mischung von Molekülen machen, die dann dieses dicke, teerige Zeug in Ihrer Pfanne formen, ok, das schwer abzuwaschen ist. So könnte der Ursprung des Lebens ausgesehen haben. Sie mussten Leben aus diesem Schrott herausbekommen, den es auf der frühen Erde gab, vor vier bis viereinhalb Milliarden Jahren. Die Herausforderung ist dann, all Ihre puren Chemikalien aus dem Labor wegzuwerfen und zu versuchen, Protozellen aus den lebensähnlichen Eigenschaften dieses Urschlamms herzustellen.

Wir sehen dann wieder die Selbst-Anordnung dieser Körper aus Öltröpfchen, die wir zuvor gesehen haben, und die schwarzen Tupfen darin repräsentieren diesen schwarzen Schlamm – diesen facettenreichen, sehr komplexen, organischen schwarzen Schlamm. Und wir geben sie in eines dieser Experimente, wie Sie zuvor gesehen haben, und dann beobachten wir die lebendige Bewegung, die herauskommt. Sie sehen sehr gut aus, sehr gute Bewegung, und sie dürften auch eine Art Verhalten haben, wo sie quasi umeinander kreisen und sich gegenseitig verfolgen, ähnlich wie was wir zuvor gesehen haben – aber auch hier nur mit primordialen Eigenschaften arbeitend, ohne pure Chemikalien. Das sind auch schlammgetriebene Protozellen, die auch Ressourcen in ihrer Umgebung lokalisieren können. Ich werde etwas Nahrung von links hier dazu geben, die sich im System verteilt, und Sie sehen, das mögen sie sehr. Sie sind sehr energetisch geworden, und können jetzt die Nahrungsquelle in ihrer Umgebung finden, ähnlich wie, was wir zuvor gesehen haben. Aber auch hier, das wird unter primordialen Umständen gemacht, sehr unordentlichen Umständen, nicht wie in einem sterilen Labor. Das sind in Wahrheit sehr dreckige kleinen Protozellen. (Gelächter) Aber sie haben lebensähnliche Eigenschaften, darum geht es.

Also, indem wir diese Experimente mit künstlichem Leben machen, können wir einen möglichen Weg zwischen nicht-lebenden und lebenden Systemen finden. Und nicht nur das, es hilft uns auch, unsere Ansicht davon, was das Leben ist, zu erweitern, und was es an weiterem Leben da draußen geben könnte -- Leben, das seh anderes sein könnte von dem Leben das wir auf der Erde finden. Und das bringt mich zum nächsten Begriff, der "eigenartiges Leben" ist. Das ist ein Begriff von Steve Benner. Er wird in Bezug auf einen Bericht aus 2007 vom National Research Council der Vereinigten Staaten verwendet, in dem sie versuchen zu verstehen, wie wir nach Leben woanders im Universum suchen können, OK, besonders wenn dieses Leben sehr anders als unseres auf der Erde ist. Wenn wir auf einen anderen Planeten kämen und meinten, dort könnte es Leben geben, wie könnten wir dieses Leben als solches erkennen?

Nun, sie haben drei sehr allgemeine Kriterien aufgestellt. Das erste ist -- und sie sind hier aufgelistet. Das erste ist, das System muss sich in einem Ungleichgewicht befinden. Das heißt, das System kann nicht tot sein, klar gesprochen. Im Grunde genommen bedeutet das, Sie haben ein Energieinput in das System, dass das Leben verwenden und verbrauchen kann, um sich zu erhalten. Das ist ähnlich wie wenn die Sonne auf die Erde scheint, Photosynthese vorantreibt, das Ökosystem vorantreibt. Ohne die Sonne wäre es wahrscheinlich, dass es auf der Erde kein Leben gäbe. Zweitens, Leben muss in flüssiger Form sein, also heißt das, selbst wenn wir ein paar interessante Strukturen, interessante Moleküle hätten, die zusammen hartgefroren wären, dann wäre das kein guter Platz für Leben. Und drittens, wir müssen chemische Bindungen formen und zerbrechen können. Und wiederum ist das wichtig, weil Leben Resourcen von der Umwelt in Baublöcke verwandelt, um sich zu erhalten.

Heute habe ich ihnen von sehr seltsamen und eigentartigen Protozellen erzählt -- einige, die Mörtel enthalten, einige, die Urschlamm in sich tragen, einige, die praktisch Öl statt Wasser in sich haben. Die meisten von ihnen enthalten keine DNS, aber trotzdem haben sie lebensähnliche Eigenschaften. Aber diese Protozellen erfüllen die allgemeinen Voraussetzungen lebender Systeme. Also in dem wir diese chemischen, künstliches Leben erforschenden Experiemente machen, möchten wir nicht nur etwas Grundlegendes über den Ursprung des Lebens und die Existenz von Leben auf diesem Planeten verstehen, sondern auch, was für Leben es da draußen im Universum sonst noch geben könnte. Ich danke Ihnen. (Applaus)