Martin Hanczyc: Hotarul dintre viaţă şi ne-viaţă

Din punct de vedere istoric a existat o diferenţă enormă între ceea ce oamenii considerau a fi sistemele inanimate, pe de o parte, şi sistemele animate, pe de altă parte. Astfel, trecem de la, să zicem, acest frumos şi complex cristal care este inanimat, la această destul de frumoasă şi complexă pisică, pe de altă parte. În ultimii, aproximativ, o sută cincizeci de ani, ştiinţa a cam estompat aceste distincţii între sistemele inanimate şi animate, şi în prezent, considerăm că e posibil să existe un oarecare continuum între cele două. Vom da doar un exemplu: un virus este un sistem natural, nu-i aşa? Dar este unul foarte simplu. E foarte elementar. Nu satisface chiar toate cerinţele, nu are toate caracteristicile unui sistem animat şi este, de fapt, un parazit al altor sisteme animate capabile, de exemplu, ca să se reproducă şi să evolueze.

Lucrurile despre care vom vorbi aici în seara aceasta sunt experimentele realizate pe astfel de extreme ale spectrului inanimat - deci, de fapt, este vorba de experimente de laborator, care constau în amestecul dintre ingredientele inanimate pentru crearea unor structuri noi, şi despre faptul că noile structuri pot avea unele dintre caracteristicile structurilor animate. Despre ceea ce vorbesc, de fapt, aici este încercarea de a creea un fel de viaţă artificială.

Deci, ce sunt aceste caracteristici despre care vă vorbesc? Iată-le. Credem, în primul rând că viaţa are un corp. Acesta este necesar pentru a distinge sinele de mediul înconjurător. Viaţa are şi un metabolism. Acesta este un proces prin care viaţa poate transforma resursele oferite de mediu pentru a construi blocuri care să-i permită să se menţină şi să evolueze. Viaţa are şi o informaţie ereditară. Noi, oamenii, ne stocăm informaţia sub forma ADN-ului în genomii noştri şi transmitem această informaţie, mai departe, copiilor noştri. Dacă le cuplăm pe primele două - corpul şi metabolismul - putem creea un sistem care ar putea probabil, să se deplaseze şi să se reproducă, şi dacă le cuplăm pe acestea cu informaţia ereditară, putem creea un sistem care ar fi mai natural, şi poate, mai evoluat. Şi, astfel, acestea sunt lucrurile pe care vom încerca să le facem în laborator, să realizăm nişte experimente care au una sau mai multe dintre caracteristicile vieţii.

Dar cum facem asta? Ei bine, folosim un model de sistem pe care-l denumim protocelulă. Imaginaţi-l ca un fel de celulă primitivă. Este un simplu şi chimic model al unei celule vii, iar dacă vă gândiţi de exemplu, că o celulă din corpul vostru poate avea milioane de tipuri diferite de molecule care trebuie să se unească, să interacţioneze într-o reţea complexă pentru a produce ceva ce noi numim animat. Ceea ce vrem să facem în laborator este cam acelaş lucru, dar utilizând zeci de tipuri diferite de molecule - deci, o reducere drastică a complexităţii, dar încercând să creăm ceva ce seamănă cu naturalul. Astfel, ceea ce facem este să începem cu lucrurile simple şi să evoluăm, treptat, spre sistemele animate. Gândiţi-vă o clipă la acest citat al lui Leduc, de acum o sută de ani, asupra unui fel de biologie sintetică: "Sinteza vieţii, dacă se va realiza vreodată, nu va fi senzaţionala descoperire pe care o asociem, de obicei, ideii." Aceasta este prima declaraţie. Deci, dacă într-adevăr am creea viaţă în laboratoare, aceasta probabil că nu va avea niciun impact asupra vieţilor noastre.

"Dacă acceptăm teoria evoluţiei, atunci, debutul sintezei vieţii trebuie să conste în producerea formelor intermediare dintre lumile anorganică şi organică, sau dintre lumile inanimate şi animate, forme care deţin doar câteva dintre atributele rudimentare ale vieţii" - deci, cele despre care tocmai am vorbit - "la care se vor adăuga, treptat, altele de-a lungul dezvoltării prin acţiunile evolutive ale mediului." Deci, începem cu lucruri simple, creăm câteva structuri care pot avea unele dintre aceste caracteristici ale vieţii, şi apoi încercăm să le dezvoltăm pentru a deveni mai naturale. Astfel putem începe să creăm o protocelulă. Folosim ideea numită auto-asamblare. Adică, pot să amestec câteva chimicale într-o eprubetă în laboratorul meu, iar aceste chimicale vor începe să se combine singure pentru a forma structuri din ce în ce mai mari. Deci, să zicem că zeci de mii, sute de mii de molecule se vor uni pentru a forma o structură mare care nu existase înainte. Şi mai ales, în acest exemplu, am folosit membrane moleculare, le-am amestecat într-un mediu propice, şi, în câteva secunde au format aceste structuri complexe şi frumoase. Aceste membrane sunt, de asemenea, foarte asemănătoare, din punct de vedere morfologic şi funcţional cu membranele din corpurile voastre, şi le putem folosi, se pare, pentru a creea corpul protocelulei noastre.

La fel, putem lucra cu sisteme acvatice şi uleioase. După cum ştiţi, când puneţi uleiul în apă, nu se amestecă, dar prin auto-asamblare putem determina formarea unei frumoase picături de ulei pe care chiar o putem folosi ca un corp pentru organismul nostru artificial sau pentru protocelula noastră, aşa cum veţi vedea mai târziu. Deci, astfel sunt formate doar nişte corpuri,nu-i aşa? Câteva structuri. Cum rămâne cu celelalte aspecte ale sistemelor animate? Deci, am creeat acest model de protocelulă pe care vi-l arăt. Am început folosind argilă naturală denumită montmorilonită. Este un produs natural, luat din mediu, această argilă. Formează o suprafaţă activă din punct de vedere chimic. Poate suporta un metabolism. Anumitor tipuri de metabolisme le place să se unească cu argila. De exemplu, în acest caz, ARN, în roşu, - aceasta este o rudă a ADN-ului, este o moleculă informaţională - poate apărea şi începe să se unească cu suprafaţa acestei argile. Această structură, apoi, poate organiza formarea unui perete membranos în jurul său, astfel încât să poată creea un corp de molecule lichide în jurul său, şi acesta apare verde la microscop. Astfel, doar prin auto-asamblare, amestecând chestii în laborator, putem realiza, să zicem, o suprafaţă metabolică cu nişte molecule informaţionale ataşate interiorului corpului acestei membrane, nu-i aşa?

Deci, suntem pe drumul cel bun spre sistemele animate. Dar, dacă aţi privi această protocelulă, nu aţi putea-o confunda cu ceva care este într-adevăr viu. Este, de fapt, destul de inanimată. Odată formată nu face mai nimic. Deci, ceva lipseşte. Lipsesc nişte lucruri. Câteva din lucrurile care lipsesc, sunt, de exemplu, cele prezente în cazul unui flux de energie care străbate un sistem, când ceea ce ne-am dori ar fi o protocelulă care ar putea colecta o parte din această energie pentru a se întreţine, asemenea sistemelor animate. Astfel. am creeat un model diferit de protocelulă, şi acesta este chiar mai simplu decât precedentul. În acest model protocelular, există doar o picătură de ulei, dar un metabolism chimic intern îi permite acestei protocelule să folosească energie pentru a acţiona, pentru a deveni cu adevărat dinamică după cum vedem cu toţii aici. Aţi adăugat picătura sistemului. Este un bazin cu apă şi protocelula începe să se mişte în sistem. Ok? Picătura de ulei formată prin auto-asamblare, are un metabolism chimic în interior pentru a putea folosi energie, şi foloseşte acea energie pentru a se deplasa în mediul său.

Cum am auzit mai dereme, mişcarea este foarte importantă în cazul unor astfel de sisteme animate. Este voprba despre deplasare, explorarea propriului mediu şi remodelarea acestui mediu, după cum vedeţi, de către aceste valuri chimice care sunt formate de protocelulă. Deci, se comportă, într-un fel, ca un sistem animat încercând să se conserve. Luăm aceeaşi protocelulă care se mişcă, şi o punem într-un alt experiment, punând-o în mişcare. Apoi voi adăuga puţină mâncare sistemului, pe care o veţi vedea albastră aici, nu-i aşa? Deci am adăugat o sursă de hrană sistemului. Protocelula se mişcă. Intră în contact cu hrana. Se reconfigurează şi apoi e chiar capabilă să atingă concentraţia maximă de mâncare din acel sistem şi să se oprească aici. E bine? Nu numai că avem un sistem care are un corp, are şi un metabolism, poate folosi energie, este mobil. Poate percepe mediul înconjurător şi chiar poate găsi resurse în mediu pentru a se întreţine.

Acesta nu are creier, nu are un sistem neuronal. Este dor un sac de chimicale care poate avea acest interesant şi complex comportament natural. Dacă numărăm substanţele din sistem, incluzând apa care se află în recipient, avem cinci chimicale care pot face asta. Apoi unim aceste protocelule într-un singur experiment pentru a vedea ce fac, şi, în funcţie de condiţii, avem unele protocelule în stânga, care se deplasează şi cărora le place să atingă celelalte structuri din mediul lor. Pe de altă parte, avem două protocelule mobile cărora le place să se învârte una în jurul celeilalte, şi acestea creează un fel de dans, un dans complex al uneia cu cealaltă. Corect? Deci, nu doar că protocelule individuale au comportamente, ceea ce am interpretat ca fiind comportamente în acest sistem, dar avem, de asemenea, comportamente colective similare cu cele ale organismelor. Şi acum, că sunteţi cu toţii experţi în protocelule, vom juca un joc cu aceste protocelule. Vom creea două tipuri diferite. Protocelula A are un anumit fel de substanţe în interior care, atunci când se activează, protocelula începe să vibreze, dansând. Totuşi amintiţi-vă, acestea sunt chestii primitive, aşa că protocelulele dansatoare, sunt foarte interesante pentru noi. (Râsete)

A doua protocelulă are un alt fel de substanţe interne, iar atunci când se activează, protocelulele se unesc şi se contopesc într-una mare. Corect? Şi tocmai le-am plasat împreună în acelaşi sistem. Deci, există o populaţie A, există o populaţie B, şi apoi activăm sistemul, iar protocelulele B, cele albastre, se unesc. Se contopesc pentru a forma o mare pată de cerneală, şi cealaltă protocelulă doar dansează în cerc. Iar acest lucru continuă până când toată energia din sistem este folosită, şi apoi, jocul a luat sfârşit. Iar apoi am repetat acest experiment de mai multe ori, şi, o dată ceva interesant s-a întâmplat. Aşa că am adăugat aceste protocelule sistemului, iar protocelula A şi protocelula B s-au contopit pentru a forma o protocelulă hibrid AB. Asta nu se mai întâmplase. Iat-o. Acum există o protocelulă AB în sistem. Protocelulei AB îi place să danseze puţin, în timp ce protocelula B realizează fuziunea, Ok?

Dar apoi, ceva mai interesant se petrece. Priviţi momentul în care aceste protocelule uriaşe, hibridele, se contopesc. Acum avem o protocelulă dansatoare şi o acţiune de reproducere. Corect (Râsete) Numai cu pete de cereneală chimică, din nou. Deci, felul în care aceasta funcţionează este următorul aveţi un sistem simplu de cinci chimicale, un sistem rudimentar. Când se încrucişează, formaţi ceva diferit de structura iniţială, este mai complex decât înainte, şi obţineţi apariţia unui altfel de comportament natural care, în acest caz, este o reproducere.

Iar, devreme ce putem creea nişte protocelule interesante care să ne placă, culori interesante şi comportamente interesante, iar acestea sunt foarte uşor de realizat, şi au caracteristici naturale interesante, poate aceste protocelule au ceva să ne spună despre originea vieţii pe Pământ. Poate, acestea reprezintă un pas uşor de făcut, unul din primii paşi cu care viaţa a debutat la începuturile planetei. Desigur, existau molecule la începuturile planetei, dar acestea nu puteau fi aceşti compuşi puri cu care lucrăm în laborator şi pe care i-am prezentat în aceste experimente. Mai degrabă ar fi un amestec complex de tot felul de chestii, pentru că reacţiile chimice necontrolate produc un amestec divers de compuşi organici. Gâdiţi-vă la acest lucru ca la materia primordială, ok? Este un compus prea dificil de caracterizat, chiar de către metodele moderne, şi produsul este maro, la fel ca această smoală din stânga. Un compus pur este prezentat la drepta, pentru contrast.

Deci, acesta este asemănător cu ceea ce se petrece când luaţi cristale pure de zahăr din bucătăria voastră, le puneţi în oală şi aplicaţi energie. Daţi drumul la căldură, începeţi să faceţi sau să desfaceţi legăturile chimice din zahăr formând un caramel maro, corect? Dacă îi permiteţi să evolueze fără control, veţi continua să faceţi şi să desfaceţi legături chimice, formând un şi mai divers amestec de molecule care, apoi, formează o astfel de chestie neagră unsuroasă în oala voastră, care este dificil de curăţat. Deci, aşa ar fi arătat originile vieţii. Trebuia să scoateţi viaţa din această materie prezentă la începuturile planetei, acum 4, 4,5 miliarde de ani. Aşadar, provocarea este, de a aruca toate chimicalele pure din laborator, şi de a încerca să creaţi nişte protocelule cu proprietăţi naturale din acest fel de materie primordială.

Astfel, putem, apoi, vedea auto-asamblarea acestor corpuri din picături de ulei la fel cum am văzut-o înainte, şi petele negre din interior reprezintă acest fel de materie neagră - această diversă, foarte complexă, organică, materie neagră. Şi le introducem într-unul din aceste experimente, după cum aţi văzut mai devreme, iar apoi, privim apariţia mişcării vii. Arată foarte bine, este o mişcare foarte frumoasă şi, de asemenea, par să aibă un fel de comportament prin care se învârt una în jurul celeilalte şi se urmăresc reciproc, similar cu ceea ce am văzut înainte - dar, repet, lucrând doar cu regimuri primordiale, fără chimicale pure. Aceste sunt de asemenea, aceste protocelule alimentate cu materie, sunt capabile şi să localizeze resurse îm mediul înconjurător. Voi adăuga nişte resurse pornind din stânga, care se răspândesc în sistem, şi, puteţi vedea, sunt astfel. Devin foarte energice şi capabile de a găsi resurse în mediul înconjurător, similare cu ceea ce am văzut mai devreme. Dar, repet, aceste lucruri sunt realizate în astfel de condiţii primordiale, condiţii foarte grele, care nu seamănă cu condiţiile sterile din laborator. Acestea sunt nişte mici protocelule foarte murdare, de fapt, (Râsete) Dar, ideea e că deţin proprietăţi naturale.

Deci, realizarea acestor experimente cu viaţă artificială ne ajută să definim o potenţială cale dintre sistemele inanimate şi cele animate. Şi nu numai asta, dar, ne ajută să ne extindem viziunea cu privire la ce este viaţa şi ce posibilă viaţă ar putea să existe în univers- viaţă care ar putea fi diferită de cea existentă aici pe Pământ. Iar asta mă duce la următorul termen, care este "viaţă ciudată."" Termenul îi aparţine lui Steve Benner. acesta este folosit cu referire la un raport din 2007 al Consiliului Naţional de Cercetare din Statele Unite, în care au încercat să înţeleagă cum putem căuta viaţa altundeva în univers, ok, mai ales daca acea viaţă este diferită de viaţa de pe Pământ. Dacă am merge pe o altă planetă şi am bănui că este viaţă acolo, cum am putea să o recunoaştem?

Ei bine, s-au gândit la trei criterii foarte generale Primul este - şi sunt enumerate aici. Primul este acela că sistemul trebuie să fie în non-echilibru. Asta înseamnă că sistemul nu poate fi mort, de fapt. În principiu aceasta înseamnă că aveţi un impuls de energie în sistem pe care viaţa îl poate folosi şi exploata pentru a se întreţine. Acesta este similar cu strălucirea soarelui pe Pământ, care face posibilă fotosinteza, menţinând ecosistemul. Fără soare, probabil că nu ar fi viaţă pe acestă planetă. În al doilea rând, viaţa trebuie să aibă formă lichidă, astfel încât, chiar dacă am dispune de anumite structuri interesante, molecule interesante, reunite, dar congelate, solide, atunci acesta nu este un mediu bun pentru viaţă. Iar, în al treilea rând avem nevoie să putem face şi desface legături chimice. Şi, repet, acesta este un lucru important pentru că viaţa transformă resursele din mediu în pereţi construiţi pentru a se întreţine.

Astăzi v-am povestit despre nişte foarte neobişnuite şi ciudate protocelule - unele care conţin argilă, unele care conţin materie primordială, unele care conţin, în principiu, ulei în loc de apă. Majoritatea acestora nu conţin ADN, dar au proprietăţi naturale. Însă aceste protocelule satisfac aceste cerinţe generale ale sistemelor animate. Astfel, creând aceste, experimente chimicale, artificiale sperăm nu doar să înţelegem ceva fundamental despre originile vieţii şi despre existenţa vieţii pe această planetă, dar şi ce posibilă viaţă ar putea exista acolo, în univers. Vă mulţumesc. (Aplauze)