Lee Cronin: Mateeriale elu sisse puhumine

Mida ma järgneva 15 minuti jooksul teha üritan on rääkida teile ühest ideest, kuidas me suudaksime panna eluta aine elama. See võib tunduda natuke ambitsioonikana, aga kui te vaatate ennast, vaatate oma käsi, siis te taipate, et te olete elus. See on algus. See lugu algas neli miljardit aastat tagasi planeedil Maa. Viimased neli miljardit aastat on eksisteerinud orgaaniline, bioloogiline elu. Anorgaanilise aine keemikutena, teevad mu sõbrad ja kolleegid vahet orgaanilisel, elus loodusel ja anorgaanilisel, eluta loodusel. Mida mina üritan siin teha, on juurutada mõned ideed, kuidas me suudame muuta anorgaanilise, eluta aine elusaks, anorgaaniliseks bioloogiaks.

Enne kui me seda teeme, tahaksin ma asetada bioloogia õigesse konteksti. Ma olen absoluutselt võlutud bioloogia poolt. Ma armastan sünteetilise bioloogiaga tegeleda. Ma armastan elusaid asju. Ma armastan bioloogia taristuga manipuleerimist. Aga me peame meeles pidama, et selle taristu keskmes olev bioloogiat kandev jõud tuleneb tegelikult evolutsoonist. Ja evolutsioon, kuigi see tuvastati tublisti üle 100 aasta tagasi Charles Darwini ja suure hulga teiste inimeste poolt, on see siiani pisut meeltele tabamatu. Darwinistlikust evolutsioonist rääkides pean ma silmas ühte kindlat asja ja ei midagi enamat - looduslikku valikut. Ühesõnaga unustage evolutsioon metafüüsikalisel tasandil. Mõelge evolutsioonist kui järglaste omavahelisest konkureerimisest, ja mõndade võitmisest.

Eelnevat meeles pidades tahtsin ma keemikuna endalt küsida ühe bioloogiat ärritava küsimuse: Mis on minimaalne mateeria ühik, millele kehtivad Darwinistliku evolutsiooni reeglid? See paistab küllaltki sügavamõtteline küsimus olevat. Keemikutena pole me harjunud igapäevaselt sügavamõtteliste küsimustega tegelema. Kui ma mõtlesin selle üle, taipasin ma järsku, et bioloogia on meile vastuse juba andnud Nimelt, kõige väiksem mateeria ühik, mis suudab iseseisvalt areneda, on üksik rakk -- bakter.

See tõstatab kolm väga olulist küsimust: Mis on elu? Kas bioloogia on eriline? Bioloogid paistavad nii arvavat. Kas mateeria võib areneda? Kui me alustame nendele küsimustele vastamist tagantpoolt, kolmandast küsimusest -- kas mateeria võib areneda? -- kui me suudame sellele vastata, siis me saame teada, kui eriline on bioloogia. Võibolla, kõigest võibolla, suudame me mõningal määral aru saada, mis elu tegelikult on.

Siin on veidi anorgaanilist elu. See on elutu kristall ja ma teen sellele midagi ning see ärkab ellu. Te võite näha, et see justkui õitseb, idaneb, kasvab. See on anorgaaniline toru. Kõik need kristallid selle mikroskoobi all olid mõni minut tagasi eluta ja praegu paistavad nad elusana. Loomulikult pole nad tegelikult elus. See on keemiline eksperiment, milles ma lõin kristalliaia. Kui ma seda esimest korda nägin, olin ma tõsiselt lummatud, sest see paistis elutruuna. Samal ajal kui ma paar sekundit hinge tõmban, heitke pilt ekraanile. Te näete, et seal kasvab arhitektuur, täites tühjust. See on eluta. Seega olin ma kindel, et kui me suudame kuidagi panna asju elu matkima. astume ühe sammu veelgi kaugemale. Vaatame, kas meil õnnestub tegelikult elu luua.

On vaid üks probleem - alles umbes aastakümne eest, öeldi meile, et elu on võimatu ja me oleme kõige uskumatum ime universumis. Et me oleme ainukesed inimesed terves universumis. See on pisut igav. Keemikuna tahtsin ma öelda, et: "Oota. Mis siin toimub? Kas elu on tõesti nii ebatõenäoline?" Selles ongi tegelikult küsimus. Ma kaldun arvama, et esimeste rakkude tekkimine oli sama tõenäoline kui tähtede tekkimine. Tegelikult, astume veel ühe sammu edasi. Ütleme, et kui aine ühinemise füüsika on universumisse sisse kodeeritud, siis võibolla on elu füüsika samuti. Ühesõnaga keemikute probleem - ja tohutu eelis samal ajal - on see, et me keskendume elementidele. Bioloogias mängib süsinik keskset rolli. Universum, kus eksisteerib süsinik ja orgaaniline bioloogia pakub meile imelist elu mitmekesisust. Meil on niivõrd hämmastavaid eluvorme, millega me saame manipuleerida. Me oleme laboris äärmiselt ettevaatlikud ja püüame hoiduda erinevate bioloogiliste ohtude eest.

Aga kuidas on lood mateeriaga? Kui me suudaksime mateeria ellu äratada, kas see oleks ohtlik? Ühesõnaga mõelge - see on tõsine küsimus. Kui su pastakas suudaks paljuneda, oleks see pisut problemaatiline. Nii, et me peame asjale lähenema teisiti, kui me hakkame ainet elustama. Samuti peame me meeles pidama kaasnevaid küsimusi. Aga enne kui me saame elu luua, mõtleme korraks, mis elu üleüldse iseloomustab. Ja vabandage selle keerulise diagrammi pärast. See on lihtsalt hulk rakusiseseid protsesse. Ilmselgelt on rakk meie jaoks midagi paeluvat. Sünteetilise bioloogia teadlased manipuleerivad sellega. Keemikud uurivad molekulide abil haigusi. Ja paralleelselt toimub rakus mitmeid protsesse. Toimub regulatsioon; informatsiooni transkriptsioon; katalüsaatorite moodustumine; kõikvõimalikud protsessid. Aga mida rakk teeb? See jaguneb, konkureerib, see jääb ellu. Ning ma arvan, et sellest peamegi alustama, mõeldes oma ideede elluviimisele.

Aga mis on veel elule omane? Mulle meeldib sellest mõelda kui leegist pudelis. Ühesõnaga on meil üksiku raku kirjeldus, mis paljuneb, metaboliseerib ja tegeleb erinevate keemiliste protsessidega. Seega peame teadvustama endale, et kui me tahame luua kunstlikku elu või mõista elu päritolu, peame me seda kuidagi energiaga varustama. Enne kui me saame elu looma hakata, peame me mõtlema, kust see tuli. Darwingi mainis kirjas kolleegile, et elu võis tõenäoliselt tekkida mõnes väikses soojas tiigis -- tõenäoliselt mitte Šotimaal, kuid võib-olla Aafrikas, võib-olla kuskil mujal. Kui täiesti aus olla, siis me ei tea seda, kuna elu päritoluga on üks probleem. Kujutlege nelja ja poole miljardi aasta tagust aega, mil eksisteeris tohutu keemiline kompott. Sellest samast kompotist tulime ka meie.

Kui te mõtlete järgneva mõne minu jooksul kõlama hakkava jutu ebatõenäolisest olemusest, siis pidage meeles, et me tulime mateeria kompotist planeedil Maa. Me läbisime mitmesugused maailmu. RNA inimesed räägivad RNA maailmast. Kuidagi jõudsime me proteiinide ja DNAni. Seejärel jõudsime viimase esivanemani. Evolutsioon sai stardipaugu -- see on asja lahe osa. Ning siin me olemegi. Kuid on üks takistus, millest ei saa mööda. Te võite dekodeerida genoomi, te võite ajas tagasi vaadata, te võite meid kõiki ühendada mitokondriaalse DNA alusel, kuid me ei saa kuidagi mööda viimasest esivanemast, viimasest nähtavast rakust, mille me suutsime järjestada või milleni ajas tagasi mõelda. Ühesõnaga me ei tea, kuidas me siia jõudsime.

On kaks valikut: intelligentne disain, otsene ja kaudne -- ehk Jumal, või mu sõber siin. Mõeldes, et me oleme siin maavälise elu abiga, lükkab probleemi lihtsalt edasi. Ma ei ole poliitik, ma olen teadlane. Teine, millele me mõtlema peame on keemilise keerukuse esilekerkimine. See paistab kõige tõenäolisemana. Ühesõnaga meil on mingi ürgkompott. Ja see juhtub olema hea allikas kõigile 20 aminohappele. Ning kuidagi need aminohapped kombineeruvad ja algab elu. Elu algamine, mida see tähendab? Mis on elu? Mis on see elus aine

1950ndatel viisid Miller ja Urey läbi oma fantastilise keemilise eksperimendi, mis oli Frankensteini vaste keemia valdkonnas. Nad võtsid põhilised koostisosad, panid need ühte anumasse ning süütasid need ja hoidsid suure elektripinge all. Ning seejärel uurisid nad kompoti koostist ja leidsid aminohapped, kuid midagi polnud juhtunud, polnud tekkinud rakku. Nii, et kogu teadusharu on olnud mõnda aega stagnatiseerunud, kuid see käivitati uuesti 80ndatel, kui analüütilised- ja arvutitehnoloogiad hakkasid laialt levima.

Minu enda laboratooriumis üritame me luua anorgaanilist elu kasutades paljusid erinevaid reaktsiooniliike. Ühesõnaga me üritame reaktsioone initsieerida mitte ühes anumas, vaid kümnetes, ning ühendades need omavahel torukestega, mis moodustavad ringluse. Me võime seda teha mikrotorude või kivitrüki abil, või kasutades 3D printerit, me võime seda teha isegi vedelikutilkades. Vaja on palju komplekseid keemilisi ühendeid omavahel reageerimas. Tõenäoliselt lõppeb see läbikukkumisega, seega peame olema pisut rohkem fokuseeritud.

Vastus peitub muidugi MICE-is. Nii mäletan mina, mida ma keemikuna vajan. Ma ütlen: "Esiteks tahan ma molekule.", kuid ma vajan ainevahetust, ma vajan energiat. Ma vajan natuke informatsiooni ja ma vajan mahutit. Sest kui ma tahan evolutsiooni, vajan ma, et mahutid omavahel konkureeriks. Seega kui sul on mahuti, on see nagu autosse istumine. "See on minu auto ja ma sõidan ringi ning eputan sellega." Ning ma kujutan ette, et midagi sarnast toimub rakubioloogias elu tekkimisega. Need kaks asja koos annavad meile evolutsiooni, võib-olla. Viis, kuidas seda laboratooriumis katsetada, on viia kõik minimaalsele tasemele.

Mida me teha üritame, on kokku panna anorgaaniliste molekulide komplekti. Vabandage ekraanil olevate molekulide pärast, kuid see on väga lihtne komplekt. Seal on vist ainult kolme või nelja tüüpi ehitusklotse. Kuid me võime need kokku ühendada ning luua otseses mõttes tuhandeid ja tuhandeid väga suuri nanomolekulaarseid molekule, mis jäävad DNA ja proteiinide suurusjärku. kuid milles ei ole süsinikku. Süsinik on keelatud. Selle komplektiga oleme me saavutanud mitmekesisuse, mis on vajalik keeruka informatsiooni ladustamiseks ilma DNA-ta. Kuid selle jaoks on meil vaja valmistada mõned mahutid. Ning kõigest mõned kuud tagasi, suutsime me minu laboris nende samade molekulide abil valmistada rakke. Ekraanil näete rakku valmimas. Nüüd lisame natuke keemiat ning manipuleerime selle rakuga. Ma tahtsin teile näidata, et paigutades molekulid membraanidesse, päris rakkudesse, moodustub molekulaarne Darwinism, molekulaarne looduslik valik.

See video siin näitab mainitud molekulide vahelist konkureerimist. Molekulid võistlevad aine pärast. Nad on kõik tehtud samas ainest, aga nad tahavad, et just nende kujund võidaks. Nad tahavad, et nende kujund jääks püsima. Ning selles peitubki asja võti. Kui me suudame kuidagi julgustada neid molekule üksteisega suhtlema, moodustama õigeid kujundeid ja konkureerima, hakkavad need moodustama rakke, mis paljunevad ja konkureerivad. Kui me suudame seda teha, võib molekulaarsed detailid unustada.

Uurime, mida see suuremas pildis tähendada võiks. Seega on meil selline eriline evolutsiooniteooria, mis kehtib ainult orgaanilisele bioloogiale. Kui me suudaksime evolutsiooni tuua materiaalsesse maailma, siis oleks meil midagi üldevolutsiooniteooria laadset. See on juba midagi, millele tasub mõelda. Kas evolutsioon kontrollib mateeria keerukust universumis? Kas evolutsioonis on mingi edasiviiv jõud, mis laseb mateerial konkureerida? See tähendab, et me võiks hakata arendama erinevaid platvorme evolutsiooni uurimiseks. Kujutage nüüd ette, kui me suudame luua isemajandava kunstliku eluvormi, siis see mitte ei räägi meile vaid elu alge kohta -- vaid ka näitab, et universum ei vaja süsinikku, et elutseda; see võib kasutada kõike -- me võime astuda ühe sammu kaugemale ja arendada uusi tehnoloogiaid, sest me suudame siis kasutada tarkvaralisi kontrollmehhanisme evolutsiooni juhtimiseks.

Kujutage ette, et me loome väikese raku. Me tahame selle panna teatud keskkonda ja tahame, et see töötaks päikeseenergia abil. Me kasutame selleks valgustatud kasti. Me ei kasuta enam disaini. Me uurime, mis töötab. Me peaksime ammutama oma inspiratsiooni bioloogiast. Bioloogiat ei huvita disain seni kuni see töötab. See muudab viisi, kuidas me asju disainime. Aga mitte ainult, me hakkame mõtlema sellele, kuidas on võimalik saavutada sümbioos bioloogilise eluga. Kas poleks suurepärane, kui saaksime võtta need kunstlikud rakud ja ühendada need bioloogiliste rakkudega, et lahendada mõned probleemid, millega me muidu hakkama ei saanud? Tegelik probleem rakubioloogias on see, et me ei hakka seda kunagi täiel määral mõistma, kuna see on evolutsiooni poolt tekitatud mitmedimensiooniline probleem. Evolutsiooni ei anna osadeks lahutada. Kuidagi tuleb leida sobivuse funktsioon. Minu jaoks oli põhjapanev avastus, et kui see töötab, siis on iseka geeni kontseptsioon viidud uuele tasemele ning me võime juba rääkida isekast mateeriast.

Mida see tähendab universumis, kus me oleme hetkel kõrgeima arengutasemega aine? Te istute toolidel. Need on liikumatud, need ei ole elusad. Aga teie olete tehtud mingist ainest ja te kasutate mingit ainet, ning te orjastate ainet. Evolutsiooni kasutamine bioloogias, ja orgaanilises bioloogias, on minu jaoks üpris veetlev, üpris erutav. Me oleme saavutamas edu küsimuses, mis paneb eluta aine elama. Ning jällegi, kui te mõtlete, kui ebatõenäoline see on, siis tuletage meelde, et viis miljardit aastat tagasi, ei olnud meid siin ja polnud ka elu. Ühesõnaga mida see meile ütleb

elu päritolu ja tähenduse kohta? Mina, keemikuna, üritan hoiduda üldistamast; ma tahan mõelda üksikasjadest. Mida see ütleb elu defineerimise kohta? Me pingutame väga, et sellega hakkama saada. Ma kaldun arvama, et kui me suudame luua anorgaanilise bioloogiaharu ja me suudame panna mateeria arenema, siis see defineeribki elu. Ma väidan, et mateeria, mis suudab areneda, on elus ja see annabki meile mõtte luua arenev mateeria.

Suured tänud teile.

(Aplaus)

Chris Anderson: "Üks kiire küsimus ajakava kohta. Sa usud, et see projekt osutub edukaks? Millal?"

Lee Cronin: "Paljud inimesed mõtlevad, et elu tekkimine võttis aega miljoneid aastaid. Me üritame selle luua kõigest mõne tunni jooksul, kui me oleme ükskord suutnud valmis seada õige keemilise koosluse.

CA: "Millal see teie arvates juhtuda võiks?"

LC: "Loodetavasti järgneva kahe aasta jooksul."

CA: "See oleks esilehe uudis." (Naer) Kui suur on teie arvates tõenäosus, et mõnel teisel planeedil on süsinikuvabad eluvormid ringi kõndimas, voolamas või midagi sellist tegemas?

LC: "Ma arvan, et see on 100%." Probleem on selles, et me oleme bioloogia suhtes nii šovinistlikud, kui süsinik kõrvale jätta, siis võib elu teist teed pidi kujuneda. Ning teine asi, kui me oleksime suutelised looma elu, mis ei põhine süsinikul, siis võib-olla saaksime öelda NASA-le, mida nad tegelikult otsima peaksid. Ärge minge süsinikku otsima, minge otsige arenevat ainet.

CA: "Lee Cronin, edu sulle." (LC: "Tänan väga.")

(Aplaus)