Martin Hanczyc: Hranica medzi živým a neživým

Z historického hľadiska tu bol veľký rozdiel v tom, čo ľudia považujú na jednej strane za živé a na druhej strane za neživé. Čiže začnime, povedzme, že tento pekný, celý kryštáľ je neživý, a táto povedzme pekná, celá mačka je živá. Za posledný 150 rokov, alebo tak nejak, veda akosi zmenšila rozdiely medzi živými a neživými systémami a teraz preto zvažujeme, že by tu mohlo byť niečo, čo sa nachádza medzi oboma systémami. Uveďme si jeden príklad: Vírus je prírodný systém, však? Avšak je veľmi jednoduchý. Veľmi zjednodušený. Neuspokojuje plne všetky požiadavky, nemá všetky charakteristiky žijúceho systému a v skutočnosti je to nejaký parazit na druhom žijúcom systéme, aby sa mohol reprodukovať a vyvíjať.

Avšak to, o čom sa tu budeme rozprávať dnes večer, sú experimenty urobené na tejto vzorke neživého konca tohto spektra - takže vlastne robenie chemických experimentov v laboratórií, zmiešavanie neživých ingrediencií, aby aby sme vytvorili nové štruktúry, a potom by tieto nové štruktúry mohli mať niektoré charakteristiky žijúcich systémov. V podstate to, o čom tu rozprávam, je pokus o vytvorenie istého druhu umelého života.

Takže, ktoré sú tie charakteristiky, o ktorých rozprávam. Tu ich máme. Najprv uvažujeme, že život má telo. Toto je dôležité pre odlíšenie seba samého od okolia. Život má taktiež metabolizmus. Je to proces, pri ktorom život premieňa zdroje z okolia na stavebné prvky, takže sa tak môže udržovať a stavať. Život obsahuje taktiež určitý druh dedičných informácií. Teraz my, ako ľudia, my tieto informácie uskladňujeme ako DNA v našich genómoch a tieto informácie odovzdávame našim potomkom. Ak spojíme prvých dvoch - telo a metabolizmus -- môžeme vytvoriť systém, ktorý by sa mohol pravdepodobne hýbať a množiť, a ak k tomuto pripojíme dedičné informácie, môžeme vytvoriť systém, ktorý by mohol byť viac životaschopný a mohol by sa možno vyvíjať. A toto sú veci, ktoré sa budeme pokúšame robiť v laboratóriu, robiť nejaké experimenty, ktoré nesú jednu alebo viac takýchto charakteristík života.

Takže, ako to robíme? Používame systémový model, ktorý nazývame protobunka. Mohli by ste si to predstaviť, ako druh nejakej primitívnej bunky. Je to jednoduchý chemický model žijúcej bunky, a ak uvažujete, napríklad nejaká bunka vo vašom tele môže mať v rade niekoľko miliónov rôznych druhov molekúl, ktoré sa potrebujú spojiť, hrať sa spoločne v nejakej zložitej sieti, aby produkovali niečo, čo nazývame život. To, čo sa pokúšame robiť v laboratóriu je z veľkej časti to isté, ale s poradím desiatok rôznych typov molekúl, takže celkom drastická redukcia komplexicity, ale stále sa pokúšame vytvoriť niečo, čo vyzerá ako život. No a čo robíme je, že začneme jednoducho a našim spôsobom sa dopracovávame k žijúcim systémom. Zamyslite sa na malý moment nad nasledujúcim citátom Leduca, ktorý asi pred sto rokmi uvažoval nad nejakým druhom syntetickej biológie. Syntéza života, ku ktorej by malo dôjsť, nebudete taký senzačný objav, ako si obvykle predstavujeme. To je jeho prvé tvrdenie. Takže ak vlastne vytvárame v laboratóriách život, pravdepodobne nebude mať až taký dopad na naše životy.

"Ak akceptujeme teóriu evolúcie, potom prvý objav syntézy života musí spočívať vo výrobe foriem prechádzajúcej medzi anorganickým a organickým svetom, medzi neživým a živým svetom, sú to formy, ktoré obsahujú iba niektoré základné prvky života. -- čiže tie, o ktorých som práve rozprával -- "ku ktorým budú ostatné prvky pomaly pridané v priebehu vývoja za pomoci evolučných vplyvov prostredia." Začneme jednoducho, urobíme nejaké štruktúry , ktoré by mohli mať niektoré z týchto charakteristík života, a potom sa ich snažíme vyvinúť, aby sa stali viac živšie. To je spôsob ako môžeme začať vytvárať protobunku. Používame nápad zvaný samoskladanie. Znamená to nasledovné, môžem zmiešať dokopy nejaké chemikálie v skúmavke v mojom laboratóriu a tieto chemikálie budú samé spolupracovať, a formovať väčšie a väčšie štruktúry. V poradí desať tisíc, sto tisíc molekúl sa bude spájať, aby formovali väčšie štruktúry, ktoré pred tým neexistovali. A toto je konkrétny príklad. Zobral som nejaké membránové molekuly, zmiešal ich dokopy v tomto pravom prostredí a v priebehu sekundy vytvorili tieto pomerne zložité a prekrásne štruktúry. Tieto membrány sú tiež celkom podobné, tvarovo aj funkčne membránam vo vašom tele. a my ich môžeme použiť k vytvoreniu tela z protobuniek.

Podobne môžeme pracovať s olejovými a vodnými systémami. Ako viete, ak spojite olej a vodu nezmiešajú sa, avšak vďaka samoskladaniu môžeme dostať peknú olejovú kvapku a môžeme ju vlastne použiť ako telo pre náš umelý organizmus, alebo pre našu protobunku, ako aj neskôr uvidíte. Takže, toto je iba formovanie nejakých vecí na tele, správne? Niektoré z architektúr. Čo ostatné aspekty živých systémov? Takže, prišli sme s týmto modelom protobunky, ktorý ukazujem. Začali sme s prírodne vyskytujúcou sa hlinou zvanou montmorillonit. Táto hlina je z prírodného prostredia. Formuje porvrch, ktorý je chemický aktívny. Mohol by na nej fungovať nejaký metabolizmus. Určité druhy molekúl radi spolupracujú s touto hlinou. Napríklad v tomto prípade, RNA, ukázaná v červenom -- toto je relatívna DNA, je to akási informačná molekula -- môže ísť ďalej a začať spolupracovať s povrchom tejto hliny. Táto štruktúra potom môže usporiadať zoskupenie hraníc membrány okolo samej seba, takže môže vytvoriť telo z tekutých molekúl okolo samého seba, a to je znázornené zeleným, tu v tomto mikrografe. Takže skrz samoskladanie a miešaním vecí v laboratóriu, môžeme prísť k matabolickým porvrchom s niektorými informačnými molekulami pripojenými vo vnútri membrány tela, správne?

Takže sme na ceste za žijúcim systémom. Avšak, ak zbadáte túto protobunku, nepopletiete si si ju s niečím, čo bolo skutočne živé. Je v podstate celkom bez života. Akonáhle sa formuje, nerobí v podstate nič. Takže, niečo nám tu chýba. Niektoré veci chýbajú. Veci, ktoré chýbajú sú napríklad, ak máte nejaký tok energie cez systém, to čo by sme chceli je protobunka, ktorá môže zbierať nejakú energiu aby sa udržiavala, podobne ako to robia žijúce systémy. Takže sme prišli s odlišným protobunkovým modelom, a tento je vlastne jednoduchší, ako ten pred tým. V tomto protobunkovom modeli, je iba kvapka oleja, avšak chemický metabolizmus vo vnútri, ktorý povoľuje tejto protobunke používať energiu k tomu, aby niečo robila, sa vlastne stáva dynamický, tak ako to budeme vidieť tu. Pridáte kvapku do systému. Máme nádržku vody, protobunka sa v nej začne sama pohybovať na okolo v systéme. Dobre? Formy z olejový kvapiek, skrz samoskladanie, má to vo vnútri chemický metabolizmus, takže to môže použiť energiu a túto energiu využíva na pohybovanie sa v okolí tohto prostredia.

Ako sme mohli počuť skôr, pohyb je veľmi dôležitý v týchto druhoch žijúcich systémov. Pohybuje sa okolo, objavuje okolie, pretvára si ho, ako môžete vidieť, týmito chemickými vlnami, ktoré formujú proto bunku. Takže sa správa v podstate ako žijúci systém snažiaci sa uchovať. Zoberme túto istú protobunku, ktorú dáme do ďalšieho experimentu a rozpohybujeme. Potom pridám do systému nejaké jedlo a vy to budete vidieť tu v modrom, dobre? Takže, pridám nejaký zdroj potravy do systému. Proto bunka sa pohybuje. Narazí na jedlo. Sama sa prekonfiguruje a vlastne potom je schopná nabrať najvyššiu koncentráciu jedla do systému a zastaviť sa tam. Správne? Takže nerobíme len to, že máme systém ktorý má telo, on má aj metabolizmus, môže využívať energiu, hýbať sa po okolí Môže vnímať prostredie na okolo a v podstate nájsť zdroje v okolí, ktoré ho podporujú v zachovaní sa.

Nemá to mozog, nemá nervový systém. Toto je iba obal chemikálií, ktoré sú schopné mať tieto zaujímavé a zložité životu podobné správanie. Ak zrátame počet týchto chemikálií v tomto systéme, v podstate aj s vodou ktorá je v jedle, máme päť chemikálií, ktoré to dokážu spraviť. Takže mi dáme tieto protobunky dokopy v jedinom experimente, aby sme videli, čo by urobili a na základe podmienok, máme niektoré protobunky vľavo, ktoré sa pohybujú okolo, a ktoré sa radi dotknú ostatných štruktúr vo svojom prostredí. Na druhej strane máme dve pohybujúce sa protobunky, ktoré radi okolo seba krúžia, a vytvárajú určitý druh tanca, vzájomný zložitý tanec. Spravne? Takže nielen samotné protobunky majú správanie, ktoré my interpretujeme ako správanie v tomto systéme, ale my taktiež máme úroveň správania bežnej populácie podobné organizmom, ktoré máme. Takže teraz ste všetci experti na protobunky. Ideme si zahrať s týmito protobunkami hru. Ideme vytvoriť dva rozdielne druhy. Proto bunka A má určitý druh chémie vo vnútri, keď sa aktivuje, protobunka začne na okolo vibrovať, proste tancovať. Pamätajte toto sú primitívne veci, tancujúce protobunky, to je pre nás veľmi zaujímavé. (Smiech)

Druhá protobunka má rozdielnu chémiu vo vnútri, a keď je aktivovaná protobunky sa dajú dokopy a vytvoria jednu veľkú. Správne? A my len dáme tieto dve dokopy v tom istom systéme. Takže tu je populácia A, tu je populácia B, a potom aktivujeme systém, a protobunky B, to sú tie modré všetky sa dajú dokopy, aby vytvorili jednu veľkú kvapku, a ostatné protobunky jednoducho tancujú na okolo. A toto sa deje dovtedy, kým všetka energia v systéme nie je využitá, a potom nastáva koniec hry. Takže, potom som zopakoval tento experiment pár krát a raz sa mi stalo niečo veľmi zaujímavé. Dal som tieto bunky dokopy do systému, a protobunka A a protobunka B sa spojili spolu, aby vytvorili hybridnú protobunku AB. Ktorá predtým nenastala. Tak to chodí. V tomto systéme máme teraz protobunku AB. Protobunka AB trochu rada tancuje na okolo, zatiaľ čo protobunka B robí istenie, dobre?

Avšak potom sa stalo ešte niečo oveľa viac zaujímavejšie. Sledujte keď tieto dve veľké protobunky, tie hybridné, sa spolu spoja. Teraz máme tancujúce protobunky a samorozmnožovacie stretnutie. (Smiech) Opäť iba s kvapkami chemikálií. Takže spôsob, akým toto funguje je, že máte systém piatich žijúcich chemikálií a nejaký jednoduchý systém. Keď sa skrížia potom vytvoríte niečo, čo je odlišné než predtým, je to viac zložitejšie ako predtým, a dostanete vznik ďalšieho druhu živého správania, ktoré je v tomto prípade kópia.

Takže odvtedy môžeme vytvárať nejaké zaujímavé protobunky, ktoré sa nám páčia, zaujímavých farieb, zaujímavo sa správajú, a sú veľmi jednoduché na tvorbu, a majú zaujímavé živé vlastnosti, pravdepodobne tieto protobunky nám môžu povedať niečo o počiatku života na zemi. Možno tieto bunky reprezentujú jednoducho prístupný krok, jeden z prvých krokov ktoré odštartovali život na planéte. Iste, už tu boli prezentované molekuly prvotnej planéty, ale oni neboli tieto čisté zlúčeniny, s ktorými sme pracovali v laboratóriu, a ktoré som ukázal v experimente. Skôr to boli skutočne zložité zlúčeniny všetkých druhov vecí, pretože nekontrolovateľné chemické reakcie produkujú rozdielne zmesi organických zlúčenín. Predstavte si to ako pravekú usadeninu. Ok? A to je súbor, ktoré je veľmi ťažko plne charakterizovať, dokonca aj modernými metódami, produkt vyzerá hnedo, ako tento asfalt tu naľavo. Čistá zlúčenina je pre kontrast ukázaná na druhej strane.

Takže toto je podobné tomu, čo sa stane keď zoberiete čistý kryštálový cukor v kuchyni, dáte ho na panvicu, a aplikujete energiu. Zvýšite teplo, začnete vytvárať, alebo lámať chemické väzby v cukry, vytvárať hnedastý karamel, správne? Ak to prestanete regulovať, budete pokračovať vo vytváraní a prerušovaní chemický väzieb, formovať dokonca ešte viac rozdielnu zmes molekúl, ktoré potom vytvoria tento druh čiernej veci vo vašej panvici. Správne, je to problematické umyť. Takže, to je predstava ako by mohol vyzerať pôvodný život. Potrebujete dostať život preč z tohto odpadu, ktorý je prezentovaný na prvotnej zemi, štyri, štyri a pol miliardy rokov pred. Výzvou potom je zahodiť späť všetky čisté chemikálie v laboratórií a pokúsiť sa vytvoriť nejaké protobunky so živými vlastnosťami získaných z tohto druhu pravekého blata.

My sme potom opäť schopní sledovať samoskladanie týchto tiel z kvapiek oleja, ktoré sme videli predtým, a čierne miesta v ich vnútri reprezentujú tento druh čierneho asfaltu -- tento rôznorodý, veľmi zložitý, organický čierny asfalt. A my ich dáme do jedného z týchto experimentov, ktoré ste videli pred tým, a potom sledujeme živý pohyb, ktorý vychádza von. Vyzerajú naozaj dobre, veľmi pekná hybnosť, a tiež sa ukázali, že majú určitý druh správania kde určitým spôsobom krúžia okolo seba a nasledujú sa, správanie podobné tomu, čo sme videli pred tým -- ale znova, pracujeme iba za pomoci pravekých podmienok, žiadne čisté chemikálie. Toto sú tiež, tieto asfaltom plnené protobunky, sú tiež schopné lokalizovať zdroje vo svojom okolí. Idem dať nejaké zdroje zľava, ktoré vpadnú do systému a môžete vidieť, že sa im to naozaj páči. Stávajú sa plné energie a schopné nájsť v okolí zdroj, podobný tomu, čo sme videli pred tým. Ale znova, tieto bunky sú vytvorené v týchto pravekých podmienkach, skutočne znečistených podmienkach, nie v nejakých sterilných laboratórnych podmienkach. Sú to vlastne veľmi malé a špinavé protobunky, (Smiech) Avšak majú živé vlastnosti, to je cieľ.

Takže robenie týchto experimentov týkajúcich sa umelého života nám pomáha definovať potenciálnu cestu medzi neživým a živým systémom. A nielen to, tiež nám to pomáha rozšíriť náš pohľad na to, čo je život a aký možný život by mohol vonku byť - život, ktorý by mohol byť veľmi odlišný od života, ktorý sme našli na zemi. A to ma vedie k ďalšiemu pojmu "čudný život." Toto je pojem Steva Bennera. Je použitý v posudku správy Národnej výskumnej rady z roku 2007 v USA, v ktorom sa pokúšali pochopiť, ako sa môžeme rozhliadať po živote vo vesmíre, špeciálne, ak je ten život veľmi odlišný od života na zemi. Ak by sme šli na inú planétu a mysleli, že by tam možno mohol byť život, ako by sme mohli ten život rozoznať?

No, oni prišli s troma veľmi zásadnými kritériami. Sú tu zahrnuté. Po prvé, systém musí byť v nerovnováhe. To znamená, že systém nemôže byť mŕtvy. V podstate to znamená, že máte nejaký vstup energie do systému, ktorý život môže použiť a využiť na udržiavanie sa. To je podobné svieteniu slnka na zem, poháňajúceho fotosyntézu a ekosystém. Bez slnka by pravdepodobne ne tejto planéte nebol život. Po druhé, život potrebuje byť v tekutej forme, to znamená, že dokonca ak máme nejaké zaujímavé štruktúry, zaujímavé molekuly spolu, ale boli by zmrznuté potom toto nie je dobré miesto pre život. A po tretie, potrebujeme byť schopní vytvárať a prerušovať chemické väzby. A znova toto je dôležité, pretože život premieňa zdroje z okolia do stavebných častí, takže tak sa môže udržiavať.

Takže, dnes som vám povedal o veľmi zvláštnych a cudzích protobunkách -- niektoré, ktoré obsahujú hlinu, niektoré, ktoré majú v sebe praveké bahno, niektoré, ktoré majú v sebe väčšinou olej namiesto vody. Väčšina z týchto neobsahuje DNA, ale napriek tomu, majú živé vlastnosti. Ale tieto protobunky spĺňajú hlavné požiadavky na živé systémy. Takže robením týchto chemických experimentov zameraných na umelý život, dúfame nielen v to že pochopíme niečo základne o zrode života a existencií života na tejto planéte, ale tiež, aký ďalší možný život by mohol byť tam vonku vo vesmíre. Ďakujem. (Potlesk)