Martin Henkcik (Martin Hanczyc): Razlike između živih i neživih sistema

Razmatranjem istorije shvatamo da je postojala velika razlika između onoga što ljudi smatraju neživim sistemom sa jedne strane, i živim sistemom sa druge. Tako da se taj raspon kreće od ovog lepog i kompleksnog kristala koji je neživi sistem, i ove veoma lepe i kompleksne mačke sa druge strane. U toku poslednjih 150 godina, nauka je dosta uticala na naše poimanje šta je to neživi, a šta živi organizam i te razlike više nisu tako jasne, te smatramo da postoji čitav jedan spektar inkrementnih prelaza između te dve oštre granice. Evo samo jednog primera: virus je prirodan sistem, zar ne? To je veoma jednostavan sistem. Pojednostavljen je. Ne zadovoljava sve zahteve, nema sve osobine živih sistema i u principu, da bi se reprodukovao i evoluirao, virus parazitira na drugim živim sistemima.

Danas ćemo ovde pričati o eksperimentima koji su u principu odrađeni na kraju spektra koji predstavlja nežive organizme-- to je izvođenje hemijskih eksperimenata u laboratoriji, mešanje neživih sastojaka materije kako bismo napravili nove strukture, i kako ove nove strukture mogu pokazivati neke od karakteristika živih sistema. Ja u principu govorim o pokušaju da napravim veštački život.

Koje su to osobine o kojima pričam? To su ove osobine. Prvo, mislimo da život poseduje telo. To je neophodno kako bi se napravila razlika između organizma i spoljašnje sredine. Život takođe poseduje metabolizam. To je proces kojim živo biće prerađuje različite resurse iz spoljašnje sredine u gradivne jedinice kako bi uspelo da sebe održi i da sebe gradi i raste. Život takođe poseduje naslednu informaciju. Mi ljudi nosimo našu naslednu informaciju zapisanu u DNK molekulu u našem genomu i prenosimo tu informaciju našem potomstvu. Ukoliko ukombinujemo prve dve - telo i metabolizam - doći ćemo do sistema koji bi mogao možda da se kreće i umnožava, i ukoliko bismo to povezali sa naslednom informacijom, dolazimo do sistema koji bi više podsećao na živi sistem, i možda bi evoluirao. To su stvari koje mi pokušavamo da uradimo u laboratoriji, radeći eksperimente koji podražavaju jednu ili više osobina života.

Kako mi to radimo? Mi koristimo model sistem koji nazivamo proto-ćelija. Možete to zamisliti kao tip primitivne ćelije. To je jednostavan hemijski model žive ćelije, i razmotrite i to da na primer jedna ćelija u vašem telu može imati milion različitih tipova molekula koji se moraju naći jedan do drugog, interagovati u složenoj mreži kako bi produkovali nešto što mi nazivamo "živim". Ono što želimo da uradimo u laboratoriji je slično tome, ali to je reda veličine desetina različitih molekula-- to je drastično smanjenje složenosti, ali i dalje mi pokušavamo da dođemo do nečeg što podseća na život. Mi zato polazimo od jednostavnih stvari i razrađujemo prolaz do živih sistema. Porazmislite na momenat o ovom citatu Leduka, od pre stotinu godina i njegovo razmatranje o sintetičkoj biologiji: "Ukoliko se ikada desi sintetički život, to neće biti senzacionalno otkriće koje uobičajeno povezujemo sa tom idejom. " To je njegova prva trvdnja. Tako da ako mi na kraju i stvorimo život u laboratoriji, to najverovatnije neće uopšte imati uticaj na naše živote.

" Ukoliko prihvatimo teoriju evolucije, tada će prvu zoru sintetičkog života predstvaljati produkt među-formi između neorganskog i organskog sveta, ili izmeđi neživog i živog sveta, forme koje pokazuju samo neke rudimentarne karakteristike života" - to su primeri o kojima sam upravo pričao- njima će ostale osobine biti lagano pridodate u procesu razvoja, a delovanjem evolutivnih pritisaka prirodne sredine." Početak je jednostavan, stvaramo neke forme koje mogu imati pojedine osobine živog, a onda pokušamo da ih razvijemo da postanu više nalik na živo. Ovako počinjemo da stvaramo proto-ćeliju. Koristimo ideju o samouspostavljanju. To znači da ja mogu da pomešam određene hemikalije u eksperimentalnoj tubi u laboratoriji i ove hemikalije će početi da se pridružuju kako bi napravile veće i veće strukture. Tako da na razmeri od desetina hiljada, stotine hiljada molekula će se kretati jedni ka drugima i formiraće veliku strukturu koja nije postojala pre toga. U ovom izdvojenom primeru, ja sam upotrebio molekule membrane, pomešao ih u pravoj sredini, i nakon nekoliko sekundi oni formiraju ovu zaista složenu i lepu strukturu ovde. Ove mebrane su takođe veoma slične, morfološki i funkcionalno, membranama u vašem telu, i možemo ih koristiti, kako bi se reklo, da formiramo telo naše proto-ćelije.

Na sličan način možemo raditi sa sistemima ulja i vode. Kao što znate, kada pomešate ulje i vodu, ne dolazi do mešanja, ali putem samo-organizacije može doći do formiranja lepe kapljice ulja, i to možemo dalje koristiti kao telo za veštački organizam ili za našu proto-ćeliju, kao što ćete kasnije videti. To je samo kreiranje nekog vida tela, zar ne? To je arhitektura. Šta da radimo sa drugim aspektima živih sistema? Smislili smo model proto-ćelije koji vam ovde pokazujem. Počeli smo da radimo sa prirodnom glinom koja se zove montmorilonit. Ova glina je deo prirodne okoline. Formira površinu za koje se može reći da je hemijski aktivna. Može biti osnova za odvijanje metabolizma. Određeni tipovi molekula se prirodno vezuju za glinu. Na primer, u ovom slučaju RNK, prikazana u crvenoj boji, rođaka DNK, je informacioni molekul- se može tu naći i doći će do povezivanja sa površinom gline. Potom ova struktura može da omogući formiranje membrane koja je okružuje, i da na taj način napravi branu od tečnih molekula oko sebe što je pokazano zelenom bojom na ovim mikrografijama. Koristeći samo proces samoorganizacije i mešanja supstanci u laboratoriji, možemo doći recimo do metaboličke površine na koju su prilepljeni molekuli koji prenose informacije u okviru membrane koja sve to uobličava, u redu?

Tako da smo na putu ka živim sistemima. Ali ukoliko biste ugledali ovu proto-ćeliju vi je ne biste pomešali ni sa čim što je zaista živo. U suštini u njoj nema života. Kada se formira, u principu ne čini ništa. Tako da nešto tu nedostaje. Neke stvari nedostaju. Neke od osobina koje nedostaju su, na primer, protok energije kroz sistem, ono što bismo mi želeli je da ta proto-ćelija požnje deo energije kako bi održala samu sebe, baš kao što živi sistemi čine. Tako da smo došli do drugačijeg modela proto-ćelije, i u principu je jednostavniji od prethodnog. Ovo je samo kapljica ulja, taj novi model proto-ćelije, ali sa takvim metabolizmom u sebi da može da koristi energiju kako bi uradila nešto, kako bi postala dinamična, kao što ćete videti. Dodate samo ovu kapljicu u sistem. Ovo je bazen vode i proto-ćelija počinje da se kreće u okviru tog sistema. U redu? Kapljica ulja se formira procesom samoorganizacije, unutar sebe poseduje hemijski metabolizam tako da može da koristi energiju koju koristi kako bi se kretala u sredini gde se nalazi.

Kao što smo ranije čuli, kretanje je jako važno kod ovih tipova živog sistema. Kreće se uokolo, istražuje okolinu, i menja okolinu, kao što vidite, baš ovim hemijskim talasima koje sama protoćelija formira. Tako da se na neki način ponaša kao živi sistem koji pokušava da se održi. Uzmemo ovu istu proto-ćeliju odavde, postavimo je u drugi eksperiment, i pokrenemo je. Potom ću ja dodati malo hrane u sistem, i uočićete to u plavoj boji ovde, u redu? Tako da ja dodam izvor hrane u sistem. Protoćelija se kreće. Nailazi na hranu. Potom se uspostavi iznova i u stanju je da se popenje do najviše koncentracije hrane u tom sistemu, i tu se zaustavi. U redu? Tako da ne samo da imamo ovaj sistem koji ima telo, ima metabolizam, može koristiti energiju, i kreće se uokolo. Ono može da oseti spoljašnju sredinu i u principu pronalazi izvore energije u svoj sredini kako bi se održalo.

Sada, ne poseduje mozak, ne poseduje nervni sistem. Ovo je samo grupa hemijskih supstanci koja je u stanju da ispolji ovo interesantno, složeno ponašanje slično živom sistemu. Ukoliko izbrojimo broj hemijskih supstanci u tom sistemu, uključujući i vodu koja je u posudi, dolazimo do 5 hemikalija koje mogu ovo da urade. Potom postavimo ove proto-ćelije zajedno u isti eksperiment i posmatramo šta će se desiti, i u zavisnosti od uslova, imamo proto-ćelije sa leve strane koje se kreću uokolo i sviđa im se da dodiruju druge strukture u svojoj okolini. Sa druge strane imamo dve proto-ćelije koje se kreću i prosto kruže jedna oko druge, tako da to podseća na vrstu plesa, složenog plesa u duetu. Zar ne? Tako da ne samo da pojedinačne proto-ćelije karakteriše određeno ponašanje, koje mi shvatamo kao ponašanje u ovom sistemu, već se susrećemo takođe i sa ponašanjem na nivou populacije što je slično onome što i organizme karakteriše. Pošto se sada svi stručnjaci za proto-ćelije, igraćemo se malo sa ovim proto-ćelijama. Napravićemo dve različite vrste. Proto-ćelija A poseduje određenu vrstu hemije u sebi, i kada je aktivirana ta proto-ćelija počinje da vibrira uokolo, prosto pleše. Zapamtite da pričamo o primitivnim stvarima, tako da su nama proto-ćelije koje plešu veoma interesantan fenomen. (Smeh)

Drugi tip proto-ćelije poseduje drukčiju vrstu hemije i kada su aktivirane ove proto-ćelije se prosto udruže i stope u jednu veliku proto-ćeliju. U redu? Samo ih stavimo zajedno u isti sistem. Ovo je populacija A, ovo je populacija B, i potom mi aktiviramo sistem, i proto-ćelija tipa B, to su ove plave ovde, one se ujedine. Sjedine su i formiraju jednu veliku grudvu, a druge proto-ćelije prosto samo plešu uokolo. Ovo se praktično dešava dok se ne istroši sva energija u sistemu a potom se igra završava. Potom sam ponovio ovaj eksperiment nebrojeno puta, i jednom se nešto veoma interesantno desilo. Prosto sam dodao proto-ćelije zajedno u sistem, i proto-ćelija A i proto-ćelija B su se sjedinile i formirale hibridnu proto-ćeliju AB. To se ranije nije dešavalo. Ovako to izgleda. Sada imamo i proto-ćeliju AB u sistemu. Proto-ćelija AB voli da malo pleše tu, dok proto-ćelija B odrađuje sjedinjavanje, u redu?

Ali potom se nešto još interesantnije desilo. Gledajte sada kako se ove dve velike proto-ćelije, hibridne ćelije sjedinjuju. Sada imamo proto-ćeliju koja pleše i i udvaja se sama. U redu. (Smeh) I sve to samo uz pomoć šačice hemikalija. Način na koji to funkcioniše je sledeći, imate ovde jednostavan sistem od pet hemikalija, i jednostavan sistem ovde. Dođe do njihovog sjedinjavanja, i dobijete nešto što je različito od polaznog sistema, kompleksnije je od polaznog sistema, i pojavljuje se nova osobina koja je karakteristična za živi sistem a to je u ovom slučaju replikacija.

S obzirom da možemo da napravimo interesantne proto-ćelije koje nam se sviđaju, interesantnih boja i interesantnog ponašanja, i to veoma lako, i pokazuju pri tome interesantne karakteristike živih sistema, možda ove proto-ćelije mogu da nam kažu nešto o poreklu života na Zemlji. Možda ovo predstvalja jednostavan korak, a to je jedan od prvih koraka koji je doveo do početka života na Zemlji. Sigurno je da su postojali razni molekuli u ranoj istoriji Zemlje, ali to nisu bila ova čista jedinjenja sa kojima smo mi radili u laboratoriji i pokazali vam ove eksperimente. To su pre bile složene smeše raznih jedinjenja, s obzirom na to da nekontorlisane hemijske reakcije dovode do nastanka raznolikih smeša organskih jedinjenja. Razmišljajte o tome kao o primordijalnoj supi, u redu? To je sistem koji je veoma teško potpuno okarakterisati čak i modernim metodama, i ti produkti su braon boje, kao katran prikazan sa leve strane. Da biste uvideli kontrast, sa desne strane je pokazano čisto jedinjenje.

Ovo je slično onome što se desi kada stavite čiste kristale šećera u posudu u svojoj kuhinji, i zagrejete posudu. Povećate potom temperaturu, i tako počnu da se formiraju i raskidaju hemijske veze u šećeru, i formira se braon karamel, zar ne? Ukoliko ne regulišite taj proces, proces uspostvaljanja i raskidanja hemijskih veza se nastavlja, i tako nastaje još raznovrsnija smeša molekula koji formiraju crnu katransku masu na vašoj posudi, koju je veoma teško oprati. Tako da bi izvor inicijalnog života izgledao slično tome. Treba da dobijete život iz ovog smeća koje je postojalo na mladoj planeti Zemlji, pre 4-4.5 milijardi godina. Izazov leži u tome da zaboravite na sva čista hemijska jedinjena koja imate u laboratoriji, i pokušate da napravite proto-ćelije koje pokazuju osobine živih sistema sa ovim tipom primordijalne supe.

Bili smo u mogućnosti da uočimo samo-organizovanje tela ovih uljanih kapljica ponovo, kao što smo i ranije videli, a ove crne tačke unutar njih su ustvari prosto tip crnog katrana-- tip tog raznovrsnog, veoma složenog, organskog crnog katrana. Ubacimo ih u jedan od ovih eksperimenata, kao što ste ranije videli, i potom posmatramo živopisne pokrete koji nastaju iz toga. Deluju veoma dobro, prave lepe pokrete, a takođe se čini i da pokazuju izvestan oblik ponašanja pri kojem oni na neki način kruže jedni oko drugih, i prate jedan drugog, slično onome što smo već videli--ali ovog puta, da napomenem još jednom, koristeći samo primordijalne uslove, ne čiste hemikalije. Ove proto-ćelije na bazi katrana su takođe sposobne da lociraju izvore energije u svojoj okolini. Dodaću izvor energije sa leve strane, baš ovde, i raspršiće se po sistemu, i videćete da proto-ćelije to baš vole. Postaju veoma energične, i u stanju su da nađu izvore energije u svojoj sredini, slično onome što smo ranije videli. Napominjem ponovo da je sve ovo sada urađeno u uslovima primordijalne supe, to su zbrkani, složeni uslovi, a ne sterilni laboratorijski uslovi. Ovo su u principu veoma nečiste male proto-ćelije. (Smeh). Suština je u tome da imaju osobine koje podsećaju na živi sistem.

Rad na ovim eksperimentima o veštačkom životu nam pomaže da definišemo moguću putanju koja povezuje nežive i žive sisteme. I ne samo to, pomaže nam i da proširimo našu percepciju o tome šta je život i kakav mogući život bi se mogao dešavati u vasioni-- život koji bi mogao biti veoma različit od života koji nalazimo ovde na Zemlji. To me vodi do sledećeg izraza, a to je "čudan život". Ovo je izraz Stiva Benera. Izraz je korišćen 2007. u izveštaju Nacionalnog istraživačkog saveta u Sjedinjenim Državama, kada su pokušali da shvate kako bismo mogli da tražimo život na drugim mestima u univerzumu, naročito ako je taj život veoma različit od života na Zemlji. Ukoliko bismo otišli na drugu planetu i mislimo da tamo možda postoji život, kako mi uopšte možemo prepoznati to kao život?

Došli su do tri veoma uopštena kriterijuma. Izlistani su ovde- prvi je. Prvi kriterijum glasi da sistem ne može biti u ravnoteži. To samo znači u principu da sistem ne može biti mrtav. To jednostavno znači da postoji energija koja ulazi u sistem koji "život" može koristiti i upotrebiti da održi samog sebe. To je slično Suncu koje obasjava Zemlju i podržava fotosintezu, što pokreće ekosistem. Bez Sunca, najverovatnije ne bi uopšte bilo života na ovoj planeti. Drugi kriterijum je da život mora biti u tečnoj formi, a to znači da ukoliko bismo imali neke interesantne strukture i molekule zajedno u zamrznutom, čvrstom stanju to ne bi bilo optimalno mesto za život. Treće, neophodno je da budemo u stanju da uspostavimo i razgradimo hemijske veze. Ponovo, to je važno zato što život transformiše izvore energije iz svoje sredine u gradivne jedinice kako bi sebe održao.

Danas sam vam pričao o veoma stranim i čudnim proto-ćelijama-- neke sadrže glinu, neke sadrže primordijalnu supu u sebi, neke sadrže ulje umesto vode u sebi. Većina njih ne poseduje DNK, ali opet imaju osobine koje podsećaju na živi svet. Ali ove proto-ćelije zadovoljavaju ove opšte zahteve koje treba živi sistem da ispolji. Radeći ove hemijske eksperimente, eksperimente o veštačkom životu, nadamo se da ćemo razumeti ne samo osnove o nastanku života i opstanku na našoj planeti, već takođe i koji bi se to mogući oblici života mogli naći u univerzumu. Hvala vam. (Aplauz)