Az élő és a nem-élő közötti vonal

Történetileg hatalmas szakadék volt aközött, amit az emberek nem-élő rendszereknek tekintenek az egyik oldalon, és élő rendszereknek a másik oldalon. Szóval kiindulunk, mondjuk, ebből a gyönyörű és összetett kristályból, mint nem-élőből, és ebből a meglehetősen szép és összetett macskából, a másik oldalon. Nagyjából az utolsó százötven év alatt a tudomány valahogy elkente ezt a megkülönböztetést a nem-élő és az élő rendszerek között, és most úgy gondoljuk, hogy lehet egyfajta folytonosság a kettő között. Nézzünk csak egy példát: a vírus egy természetes rendszer, ugye? De nagyon egyszerű. Nagyon leegyszerűsített. Nem igazán tesz eleget minden követelménynek, nincs meg benne az élő rendszerek összes tulajdonsága, és tulajdonképpen élősködik más élő rendszereken azért, hogy szaporodjon és fejlődjön.

De ma este azokról a kísérletekről lesz szó, amelyeket ennek a spektrumnak a nem-élő végén végzünk -- azaz valójában kémiai kísérleteket végzünk a laboratóriumban: nem-élő összetevőket keverünk össze, hogy új struktúrákat hozzunk létre, és hogy ezeknek az új struktúráknak esetleg legyen néhány, az élő rendszerekre jellemző tulajdonsága. Igazából amiről itt beszélek, az egyfajta mesterséges élet létrehozása.

Szóval, milyen tulajdonságokról van itt szó? Íme: Először is, úgy tartjuk, hogy az élet testben létezik. Ez kell ahhoz, hogy a saját elhatárolódjon a környezettől. Az életnek anyagcseréje is van. Ez egy olyan folyamat, mellyel az élet át tudja alakítani a környezeti erőforrásokat építőelemekké, hogy fenn tudja tartani, és fel tudja építeni magát. Az életnek van egyfajta örökölhető információja is. Na most mi, emberek, ezt az információt DNS-ként tároljuk a genomunkban, és továbbadjuk az utódainknak. Ha összekötjük az első kettőt -- a testet és az anyagcserét --, olyan rendszerrel állhatunk elő, amely esetleg képes mozogni és szaporodni; és ha most ezeket összekapcsoljuk az örökölhető információval, olyan rendszert hozhatunk létre, amely életszerűbb, és talán fejlődni is fog. Szóval ezek a dolgok, amelyekkel próbálkozunk a laborban: olyan kísérleteket végezni, amelyek mutatják az élet egy vagy több ilyen tulajdonságát.

Hogyan csináljuk mindezt? Mi egy modellrendszert használunk, amit protosejtnek nevezünk. Úgy képzeljék ezt el, mint egyfajta primitív sejtet. Ez az élő sejt egyszerű kémiai modellje, és ha belegondolnak: a szervezetünk egy sejtjében például durván több millió fajta molekula van, melyeknek találkozniuk kell, együtt kell működniük egy összetett hálózatban, hogy létrehozzanak valamit, amit úgy hívunk: élő. Amit a laboratóriumban akarunk csinálni, az nagyon hasonló, csak nagyjából néhány tucat különböző fajta molekulával -- így drasztikusan csökken az összetettség, de még mindig megpróbálunk olyasmit létrehozni, ami életszerűnek látszik. Tehát úgy csináljuk, hogy az egyszerűvel kezdjük, és később eljutunk az élő rendszerekig. Nézzük meg egy pillanatra ezt az idézetet, amely Leductól, száz évvel korábbról származik, aki egyfajta szintetikus biológiát vett fontolóra: "Az élet előállítása, ha valaha is megtörténne, nem lesz olyan szenzációs felfedezés, mint amilyennek azt általában elképzeljük." Ez az első állítása. Tehát ha mi valóban létrehozunk életet a laboratóriumban, az valószínűleg egyáltalán nem lesz hatással az életünkre.

"Ha elfogadjuk az evolúció elméletét, akkor az élet szintetizálásának kezdete bizonyára olyan átmeneti formák előállításából áll majd, melyek a szervetlen és a szerves világ, vagy a nem-élő és az élő világ közötti olyan formák, amelyek az életnek csak néhány elemi jellemzőjével rendelkeznek," -- tehát azokkal, amiket az előbb tárgyaltam -- „amelyekhez lassan hozzáadódnak más tulajdonságok a környezet evolúciós hatásai által kiváltott fejlődés során." Tehát az egyszerűvel kezdjük: olyan struktúrákat csinálunk, amelyek rendelkezhetnek néhánnyal az élet ezen jellemzői közül, és aztán megpróbáljuk fejleszteni, hogy egyre életszerűbb legyen. Így kezdhetünk el protosejtet csinálni. Az önszerveződés ötletét használjuk. Ez azt jelenti, hogy összekeverhetek néhány kémiai anyagot egy kémcsőben a laboratóriumomban, és ezek a kémiai anyagok elkezdenek összekapcsolódni, hogy egyre nagyobb struktúrákat hozzanak létre. Mondjuk durván néhány tízezer, néhány százezer molekula összeáll, hogy egy nagy szerkezetet alkosson, ami nem létezett korábban. Ebben a bizonyos példában, amit hoztam, van néhány membrán molekula, összekeverve egymással a megfelelő környezetben, és másodperceken belül létrehozzák ezeket a meglehetősen összetett és szép struktúrákat. Ezek a membránok nagyon is hasonlóak morfológiailag és funkcionálisan a testünkben lévő membránokhoz, és felhasználhatjuk őket, ahogy mondják, a protosejtünk testének létrehozásához.

Hasonlóképpen dolgozhatunk olaj és víz rendszerekkel. Mint tudják, amikor összeöntjük az olajat és a vizet, nem keverednek össze, de az önszerveződés során szép kis olaj cseppet kaphatunk, és ezt tulajdonképpen testként használhatjuk a mesterséges szervezetünk vagy a protosejtünk számára, ahogy később látni fogják. Szóval, ott tartottunk, hogy létrehoztunk valami testet, oké? Néhány szerkezetet. Mi a helyzet az élő rendszerek többi tulajdonságával? Nos, kitaláltuk ezt a protosejt modellt, amit itt mutatok. A természetben előforduló agyaggal kezdtük, amit montmorillonit-nak hívnak. Ez az agyag természetes, a környezetből származik. Ez egy olyan felületet alakít ki, ami vegyileg aktív. Anyagcsere működhet rajta. Bizonyos típusú molekulák szeretnek összekapcsolódni az agyaggal. Például ebben az esetben az RNS, amit pirossal jelölünk -- ez a DNS rokona, egy információs molekula -- ez lehet, hogy odajön, és elkezd hozzákapcsolódni ennek az agyagnak a felületéhez. Ez a szerkezet aztán megszervezheti a membrán határ kialakulását maga körül, így egy folyékony molekulákból álló testet készíthet maga köré, ez látható zölddel itt a mikrofelvételen. Tehát csupán az önszerveződést kihasználva, dolgok összekeverésével a laborban, előállhatunk, mondjuk, egy metabolikus felülettel, amelyhez néhány információs molekula kapcsolódott a membrán testen belül, igaz?

Szóval úton vagyunk az élő rendszerek felé. De ha önök látnák ezt a protosejtet, akkor nem tévesztenék össze olyasmivel, ami valóban élő. Ez valójában meglehetősen élettelen. Amikor kialakul, nem igazán csinál semmit. Tehát valami hiányzik. Hiányzik néhány dolog. Ez a néhány dolog, ami hiányzik, ha például valami energia áramlana keresztül a rendszeren, akkor azt akarnánk, hogy az a protosejt be tudjon gyűjteni valamennyit ebből az energiából önmaga fenntartásához, ahogy az élő rendszerek teszik. Úgyhogy kitaláltunk egy másik protosejt modellt, ez pedig tulajdonképpen egyszerűbb, mint az előző. Ez a protosejt modell, ez csak egy olaj cseppecske, de vegyi anyagcseréje van belül, ami lehetővé teszi, hogy a protosejt energiát használjon fel valamire, hogy ténylegesen dinamikussá váljon, ahogy itt fogjuk látni. Hozzáadjuk a cseppet a rendszerhez. Ez egy víztócsa, és a protosejt magától mozogni kezd a rendszerben. Világos? Az olaj cseppecske önszerveződéssel alakul ki, van egy kémiai metabolizmus a belsejében, így energiát tud használni, és ezt az energiát arra használja, hogy mozgassa magát a környezetében.

Amint korábban hallottuk, a mozgás nagyon fontos az ilyen fajta élő rendszerekben. Ez mozog, felderíti a környezetét, és újjá is alakítja a környezetét, amint látják, ezekkel a kémiai hullámokkal, amiket a protosejt hoz létre. Tehát úgy cselekszik, bizonyos értelemben, mint egy élő rendszer, ami próbálja fenntartani magát. Most vesszük ugyanezt a mozgó protosejtet, és egy másik kísérletbe tesszük, beindítjuk. Majd adok egy kis táplálékot a rendszerhez, ez a kék színű itt, látják? Tehát táplálék-forrást adok a rendszerhez. A protosejt mozog. Összetalálkozik az étellel. Átalakítja magát, és aztán tulajdonképpen képes lesz elkúszni a legnagyobb ételkoncentrációig ebben a rendszerben, és ott megáll. Rendben? Tehát nem csak hogy van ez a rendszerünk, aminek van teste, anyagcseréje, energiát tud használni, és mozog. Képes érzékelni a helyi környezetet, és tulajdonképpen megtalálni az erőforrásokat a környezetben, hogy fenntartsa önmagát.

Nos, ennek nincs agya, nincs idegrendszere. Ez csak egy zacskó kémiai anyag, amely képes erre az érdekes és összetett, életszerű viselkedésre. Ha megszámoljuk a vegyületeket ebben a rendszerben, valójában, a vizet is beleszámítva, ami a Petri-csészében van, öt vegyi anyagunk van, ami ezt meg tudja csinálni. Aztán ezeket a protosejteket együtt tesszük egy kísérletbe, hogy lássuk, mit csinálnak, és a feltételektől függően van olyan protosejtünk a bal oldalon, ami mozog, és szereti megérinteni a többi szerkezetet a környezetében. Másrészről pedig van két mozgó protosejtünk, amelyek körözgetnek egymás körül, és egyfajta összetett táncot járnak egymással. Rendben? Tehát nem csak az egyedi protosejteknek van viselkedésük, amit viselkedésként értelmeztünk ebben a rendszerben, hanem van itt egy alapvetően populáció szintű viselkedés is, hasonló ahhoz, amivel a szervezetek rendelkeznek. Most, hogy Önök mind protosejt-szakértők lettek, egy játékot fogunk játszani ezekkel a protosejtekkel. Két különböző típusút fogunk csinálni. Az „A” protosejtben van egy bizonyos típusú belső kémia: amikor aktiváljuk, a protosejt elkezd rezegni, mintha csak a táncolna. Ne felejtsék el, hogy ezek primitív dolgok, tehát a táncoló protosejtek, amik nagyon érdekesek számunkra. (Nevetés)

A második protosejtnek másfajta belső kémiája van, és amikor aktiváljuk, a protosejtek mind összegyűlnek , és összeolvadnak egy nagy protosejtté. Oké? És most beletesszük ezt a kettőt együtt ugyanabba a rendszerbe. Tehát van az „A” populáció, van a „B” populáció, majd aktiváljuk a rendszert, és a „B” protosejtek, ők a kékek, mind összegyűlnek. Összeolvadnak egy nagy cseppé, a másik protosejt meg csak táncol körbe-körbe. És mindez addig megy, amíg a rendszerben lévő összes energia tulajdonképpen felhasználódik, és akkor vége a játéknak. Én megismételtem ezt a kísérletet egy csomó alkalommal, és egyszer valami nagyon érdekes dolog történt. Tehát, hozzáadtam ezeket a protosejteket együtt a rendszerhez, és az „A” protosejt meg a „B” protosejt összeolvadt, létrehozva egy hibrid „AB” protosejtet. Ez korábban nem történt meg. Itt van. Most van egy „AB” protosejt a rendszerben. Az „AB” protosejt táncolgat egy kicsit, mialatt a „B” protosejt összeolvad, oké?

De aztán valami még érdekesebb történik. Nézzék, ahogy ez a két nagy protosejt, a hibridek, összeolvadnak. Most van egy a táncoló protosejtünk, és egy önreplikációs eseményünk. Oké. (Nevetés) Megint csak kémiai anyagok cseppjeiből. Tehát a dolog úgy működik, hogy van itt nekünk egy öt kémiai anyagból álló egyszerű rendszerünk. Amikor kereszteződnek, akkor létrehozunk valamit, ami más mint korábban, bonyolultabb, mint azelőtt, és felbukkan egy másik fajta életszerű viselkedés, amely ebben az esetben a replikáció.

Szóval, mivel létre tudunk hozni néhány érdekes protosejtet, ami tetszik, érdekes színeket és érdekes viselkedésmódokat, és nagyon könnyű őket létrehozni, és érdekes, életszerű tulajdonságaik vannak, talán ezek a protosejtek elmondanak nekünk valamit az élet eredetéről a Földön. Talán ezek egy könnyen megközelíthető lépést képviselnek, az egyik első lépést, amellyel az élet elkezdődött a korai a Földön. Természetesen voltak jelen molekulák a korai Földön, de ezek nem lehettek ezek a tiszta vegyületek, amikkel mi a laborban dolgoztunk, és amiket ezekben a kísérletekben mutattam. Ezek inkább minden fajta anyag nagyon összetett keverékei lehettek, mivel az ellenőrizetlen kémiai reakciók szerves vegyületek sokféle keverékét állítják elő. Úgy képzeljék ezt el, mint egy ősiszapot, oké? Ez egy pocsolya, ami túl bonyolult ahhoz, hogy teljesen jellemezzük, még a modern módszerekkel is, és a termék barna, mint ez a kátrány itt, a bal oldalon. Egy tiszta vegyület látható a jobb oldalon kontrasztként.

Ez hasonlít ahhoz, ami akkor történik, amikor Önök fognak egy marék tiszta cukorkristályt a konyhájukban, beleteszik egy serpenyőbe, és energiát alkalmaznak. Bekapcsolják a tűzhelyet, elkezdenek kémiai kötéseket létrehozni vagy szétbontani a cukorban, barnás karamellt létrehozva, igaz? Ha ezt szabályozatlanul hagyják folytatódni, újabb kémiai kötéseket alakítanak ki vagy bontanak szét, egy még változatosabb molekulakeveréket létrehozva, ami aztán átalakul ezzé a fekete kátrányos dologgá a serpenyőben, amit nehéz lesúrolni. Szóval így nézhetett ki az élet eredete. Ebből a vacakból kellett életet csinálni, ami a korai Földön négy, négy és fél milliárd évvel ezelőtt jelen volt. Így a kihívás aztán az, hogy dobjuk ki az összes laboratóriumi, tiszta vegyszert, és próbáljunk meg ebből az ősiszapból életszerű tulajdonságokkal rendelkező protosejteket csinálni.

Újra láthatjuk tehát ezeknek az olajcseppeknek az önszerveződését, amit már korábban láttunk, és azok a fekete pöttyök ott belül képviselik ezt a fekete kátrányt -- ezt a változatos, nagyon összetett, szerves fekete kátrányt. És most betesszük őket egy olyan kísérletbe, amilyet korábban már láttak, majd figyeljük az élénk mozgást, ami megjelenik. Igazán jól néznek ki, nagyon szép mozgás, és úgy tűnik, ezeknek is van valamilyen viselkedésük, köröznek egymás körül, és követik egymást, ahhoz hasonlóan, ahogy korábban láttuk, -- de ismétlem, csak ősi feltételekkel dolgozunk, nem tiszta vegyi anyagokkal. Ezek is, ezek a kátrány-üzemanyagú protosejtek, képesek megtalálni az erőforrásokat a környezetükben. Most hozzáadok valamennyi erőforrást itt balról, ami beáramlik a rendszerbe, és láthatjuk, hogy igazán szeretik. Nagyon energikussá válnak, és képesek megtalálni a környezetben az erőforrást, ahhoz hasonlóan, amit korábban láttunk. De ismétlem, ezeket az ősi feltételek között csináltuk, igazán piszkos feltételek között, nem pedig steril laboratóriumi körülmények között. Ezek nagyon piszkos kis protosejtek, ami azt illeti. (Nevetés) De életszerű tulajdonságokkal rendelkeznek, ez a lényeg.

Szóval ezek a mesterséges élet-kísérletek segítenek nekünk egy lehetséges útvonalat meghatározni a nem-élő és az élő rendszerek között. És nem csak ebben segítenek, hanem abban is, hogy tágítsuk a nézőpontunkat arról, hogy mi az élet, és milyen lehetséges életforma lehet odakint -- életforma, amely nagyon is eltérő lehet attól az élettől, amit itt a Földön találunk. És ez elvezet a következő kifejezéshez, ami a "furcsa élet." Ez a kifejezés Steve Bennertől származik. Ezt egy jelentéssel kapcsolatban használta 2007-ben, amelyet az USA-beli Nemzeti Kutatási Tanács készített, amiben megpróbálták megérteni, hogyan kereshetünk életet a világegyetem más részeiben, különösen, ha az élet nagyon eltérő a földi élettől. Ha elmennénk egy másik bolygóra, és azt gondolnánk, hogy lehet ott élet, hogyan ismerhetnénk fel életként?

Nos három nagyon általános kritériumot fogalmaztak meg. Az első – és ezek itt vannak felsorolva. Az első: a rendszernek nem-egyensúlyi állapotban kell lennie. Ez azt jelenti, hogy a rendszer tulajdonképpen nem lehet halott. Alapvetően ez azt jelenti, hogy energiabevitel történik a rendszerbe, amit az élet hasznosítani tud, és fel tud használni önmaga fenntartásához. Ez hasonlít ahhoz, hogy a Földön van a napfény, ami irányítja a fotoszintézist, irányítja az ökoszisztémát. A Nap nélkül valószínűleg nem lenne élet ezen a bolygón. Másodszor, az életnek folyékony formában kell lennie, tehát ez azt jelenti, hogy még ha lenne is néhány érdekes struktúra, érdekes molekula együtt, de szilárdra fagyva, akkor az nem jó hely az élet számára. És harmadszor, képesnek kell lennünk kémiai kötések kialakítására és felbontására. És ez azért fontos, mert az élet átalakítja a környezetből származó erőforrásokat építőkockákká, hogy fenntartsa önmagát.

Nos, ma nagyon különös és furcsa protosejtekről beszéltem Önöknek -- olyanokról, amikben agyag van, olyanokról, amikben ősiszap van, és olyanokról, amelyekben alapvetően olaj van víz helyett. Ezek többsége nem tartalmaz DNS-t, mégis életszerű tulajdonságaik vannak. De ezek a protosejtek megfelelnek az élő rendszerek általános követelményeinek. Tehát, azáltal, hogy ezeket a kémiai, mesterséges élet-kísérleteket végezzük, reméljük nemcsak az élet eredetéről és az élet ezen a bolygón való létezéséről értünk meg valami alapvetőt, hanem arról is, milyen lehetséges élet fordulhat elő ott kint, az univerzumban. Köszönöm. (Taps)