Мартін Ханьчиц: Між живим та неживим

Історично склалася велика різниця між тим, що люди вважали неживими істотами, з одного боку, і живими системами, з іншого. Таким чином, ми переходимо від, скажімо, цього гарного та складного неживого кристалу до цього гарного і складного живого кота. Протягом останніх 150 років чи близько того, наука у якійсь мірі розмила цю відмінність між живими та неживими системами, і зараз ми вважаємо, що, можливо, є деякий континуум, який існує між ними. Візьмемо один приклад: вірус є природною системою, чи не так? Але вона дуже проста. Дуже спрощена. Вона дійсно не відповідає усім вимогам, не має усіх характеристик живих систем, і насправді є паразитом для інших живих систем, щоб, скажімо, розмножуватися і розвиватися.

Але те, про що ми будемо розмовляти сьогодні, це експерименти, проведені на цьому неживому краю спектра - отже, по правді, говоритимемо про проведення хімічних експериментів у лабораторії, з поєднанням неживих складових для створення нових структур, які б могли мати деякі характеристики живих систем. Те, про що я зараз говорю, це спроба створити свого роду штучне життя.

Про які ж саме характеристики йдеться? Ось вони. Ми вважаємо, що по-перше, життя має тіло. Це необхідно, щоб відокремити себе від навколишнього середовища. Також життя має обмін речовин. Це процес, при якому життя може конвертувати ресурси з навколишнього середовища у будівельні матеріали для підтримання і будування себе. Життя також може успадковувати інформацію. Ми, як людські істоти, зберігаємо нашу інформацію у формі ДНК в наших генах і передаємо цю інформацію іншим поколінням. Якщо ми поєднаємо тіло та метаболізм - ми отримаємо систему, яка можливо, могла б рухатися і відтворювати себе, і, якщо ми пов'яжемо їх з успадкованою інформацією, ми могли б отримати систему, котра була б більш життєздатною і, можливо, розвивалася б. Це і є те, що ми намагаємося робити у лабораторії, проводимо деякі експерименти, за наявності однієї або більше характеристик життя.

Як ми все це робимо? Ми використовуємо модель системи, яку називаємо "протоклітиною". Можете вважати це чимось на зразок примітивної клітини. Це проста хімічна модель живої клітини, і, якщо взяти до уваги, наприклад, що клітина у вашому тілі може мати близько мільйона різних типів молекул, які повинні зібратися разом, взаємодіяти в складній мережі, для створення того, що ми називаємо життям. У лабораторії ми хочемо створити майже те саме, але лише у рамках кількох десятків різних типів молекул - тож, це різке зниження складності, проте все ж таки це спроба створити щось схоже на життя. Отже, ми починаємо з простого і рухаємося у напрямку живих систем. Задумайтеся на мить над цією цитатою Ледюка, який ще сто років тому сказав про синтетичну біологію: "Синтез життя, якщо він коли-небудь станеться, не буде сенсаційним відкриттям, з яким ми зазвичай асоціюємо цю ідею." Це його перше твердження. Тож, якщо ми насправді створимо життя у лабораторії, це, швидше за все, ніяк не вплине на наше життя.

"Якщо ми приймаємо теорію еволюції, то перше відкриття синтезу життя має полягати у впровадженні проміжних форм між органічним та неорганічним світами або між живою та неживою природою, формами, які володіють тільки деякими рудиментарними ознаками життя" йдеться про ті питання, які ми щойно заторкнули, "до яких постійно будуть додаватись інші атрибути у ході розвитку еволюційних дій навколишнього середовища". Отже, ми почнемо з простого, зробимо кілька структур, які можуть мати деякі з цих характеристик життя, і згодом, спробуємо розвивати це з метою зробити його більш схожим на життя. Саме так ми можемо почати створювати протоклітину. Ми використовуємо ідею так званої самозбірки. Це означає, що я можу змішати декілька хімікатів у пробірці в своїй лабораторії, а ці хімікати почнуть самостійно поєднуватись для створення все більших структур. Скажімо, близько десятків тисяч, сотень тисяч молекул будуть поєднуватись, створюючи все більшу структуру, яка раніше не існувала. У цьому конкретному прикладі, я взяв декілька мембранних молекул, змішав їх разом у відповідному навколишньому середовищі, і через секунди вони створюють ось ці складні та красиві структури. Ці мембрани також досить подібні, морфологічно і функціонально, до мембран у вашому тілі, і ми можемо їх використовувати, як кажуть, для створення тіла нашої протоклітини.

Крім того, ми можемо працювати з водними та жировими системами. Як ви знаєте, вода та жир при поєднанні не перемішуються, але шляхом самозбирання ми можемо отримати красиві краплини жиру і можемо реально використовувати їх як тіла для нашого штучного організму або нашої протоклітини, як ви побачите далі. Отже, ми формуємо якісь тіла, так? Деякі конструкції. Що можна сказати про інші аспекти живих систем? Ми створили цю модель протоклітини, яку я показую. Ми почали з глини природного походження, яка називається монтморилоніт. Ця глина видобувається природним способом. Вона утворює поверхню, яку можна назвати хімічно активною. На ній може відбуватися метаболізм. Деякі типи молекул полюбляють змішуватись з глиною. Наприклад, у цьому випадку, РНК, що показана червоним, - це рідня ДНК, молекула з інформацією - вона з'являється і починає взаємодіяти з поверхнею цієї глини. Ця структура, таким чином, може організовувати формування мембранного кордону навколо себе, щоб стати тілом з рідких молекул навколо себе, і це показано зеленим кольором на цьому знімку. Тобто, просто завдяки комбінуванню, перемішуванню речей у лабораторії, ми можемо отримати, скажімо, метаболічну поверхню з деякими інформаційними молекулами всередині цього мембранного тіла, чи не так?

Отже, ми знаходимося на шляху до живих систем. Але, якщо б ви побачили таку протоклітину, ви б не переплутали її з чимось дійсно живим. Насправді у ній досить таки мало життя. Коли вона формується, вона реально нічого не робить. Так що чогось не вистачає. Якихось речей не вистачає. Декілька слів про те, чого бракує: наприклад, якби у нас був потік енергії, що проходить через систему, ми б хотіли аби протоклітина могла забирати собі частину цієї енергії для підтримання себе, як це роблять живі системи. Тому ми вигадали нову модель протоклітини і вона, насправді, простіша за попередню. Ця модель протоклітини не просто краплина жиру, а хімічний метаболізм усередині, який дозволяє цій протоклітині використовувати енергію для чогось і ставати динамічною, як ми бачимо тут. Ви додаєте краплю до системи. Це водне середовище, і протоклітина починає рухатись навколо себе у цій системі. Це зрозуміло? Жирова краплина формується шляхом самозбирання, має хімічний метаболізм усередині, що уможливлює використання енергії для руху у своєму навколишньому середовищі.

Як ми чули раніше, рух дуже важливий у живих системах такого типу. Вона рухається, вивчає навколишнє середовище і ремоделює це середовище, як ви бачите, за допомогою ось цих хімічних хвиль, сформованих протоклітиною. Тобто вона діє, по суті, як жива система, яка намагається себе зберегти. Ми беремо цю саму протоклітину, і розміщуємо її в іншому середовищі, змушуємо її рухатися. А потім додаємо трохи їжі у систему, і ви бачите це у синьому кольорі, так? Далі додаємо джерело їжі у систему. Протоклітина рухається. Вона натрапляє на їжу. Перебудовує себе і тоді має змогу дістатися до місця найбільшої концентрації їжі у цій системі і зупиниться там. Непогано? Отже, ми маємо не просто систему, у якої є тіло та метаболізм, вона може використовувати енергію, рухатись. Вона може відчути своє навколишнє середовище і дійсно знайти ресурси у цьому середовищі для підтримання себе.

Проте вона не має мозку, в неї немає нервової системи. Це просто набір хімікатів, який може мати таку цікаву і складну поведінку. Якщо ми перелічимо кількість хімікатів у цій системі, то реально, включно з водою, яка знаходиться у чаші, ми маємо п'ять елементів, котрі можуть це зробити. Тоді ми поєднуємо ці протоклітини в одному експерименті, щоб побачити, як вони діятимуть і, в залежності від умов, ми маємо декілька протоклітин зліва, що рухаються навколо і заторкають інші структури у середовищі. З іншого боку, у нас дві протоклітини, що рухаються, яким подобається крутитися одна навколо одної, і вони творять щось на зразок танцю, складного парного танцю. Так? Отже не тільки окремі протоклітини мають таку поведінку, яку ми описали в цій системі, але також ми маємо, по суті поведінку рівня популяції, подібну на поведінку організмів. Отже, тепер, коли ви стали експертами по протоклітинах, ми пограємо у гру з цими протоклітинами. Ми зробимо два різних типи. У протоклітини А є певна хімічна система всередині, що активізується, отже протоклітина почне вібрувати довкола, просто танцювати. Пам'ятайте, що це примітивні речі, тому танцюючі протоклітини є дуже цікавими для нас. (Сміх)

У другої протоклітини усередині буде інший хімічний склад, і коли вона активована, протоклітини збираються і зливаються в одну велику. Розумієте? І ми просто поміщаємо ці два типи в одну систему. Ось є популяція А, це популяція Б, і тепер ми активуємо систему, протоклітини Б, вони блакитного кольору, збираються разом. Вони зливаються в одну велику краплю, а інша протоклітина просто танцює навколо. І це просто відбувається доти, доки енергія у системі не витратиться і тоді кінець гри. Я повторив експеримент декілька разів і одного разу відбулося дещо цікаве. Я помістив ці протоклітини разом у систему, а потім протоклітина А і протоклітина Б злилися в одну, щоб сформувати гібридну протоклітину АБ. Цього раніше не траплялося. І ось так вийшло. Тепер у цій системі є протоклітина АБ. Протоклітині АБ подобається танцювати довкола якийсь час, доки протоклітина Б здійснює злиття, розумієте?

Але потім трапляється дещо цікавіше. Слідкуйте, коли ці дві великі гібридні протоклітини поєднаються. Тепер ми маємо танцюючу протоклітину і повторюючий себе випадок. Ось так. (Сміх) І знову таки, тільки з краплями хімічних елементів. Це працює наступним чином: ви маєте просту систему з п'яти елементів, ось тут, проста система. Коли вони гібридизуються, у вас виходить дещо відмінне від попереднього, складніше за попереднє, і ви отримуєте новий вид імітуючої життя поведінки, у даному випадку - розмноження.

Отже, ми можемо робити різні цікаві протоклітини, які нам подобаються, з цікавими кольорами і цікавою поведінкою, їх легко отримувати і вони мають деякі властивості, подібні до життєвих. Можливо, ці протоклітини можуть сказати нам щось про виникнення життя на Землі. Можливо, вони становлять той легкодоступний крок, один з перших кроків, з якого почалося життя на ранній планеті Земля. Звісно, молекули, були присутні на ранніх етапах існування Землі, але вони навряд чи були подібні до цих чистих структур, з якими ми працюємо у лабораторії і які я показував у цих експериментах. Радше, вони були дійсно складною сумішшю усього на світі тому, що неконтрольовані хімічні реакції виробляють різноманітні суміші органічних сполук. Вважайте це первинним болотом, добре? І ця водойма, яку складно повністю охарактеризувати, навіть сучасними методами, і продукт виглядає коричневим, як ось ця смола зліва. Чиста сполука, для контрасту, показана справа.

Отже, це схоже на те, що трапляється, коли ви берете чисті кристали цукру у себе на кухні, кладете їх у каструлю і застосовуєте енергію. Ви включаєте нагрів, і починають створюватися або розбиватися хімічні сполуки у цукрі, і утворюється коричнева карамель, чи не так? Якщо б ви залишили це без нагляду, то хімічні зв'язки продовжили б створюватись та розриватись, створюючи ще більш різноманітну суміш молекул, яка потім сформувала б чорне смолисте казна-що у вашій каструлі, яку потім важко відмити. Ось як виглядало б виникнення життя. Вам потрібно було отримати життя з цього барахла, яке існувало на ранній планеті Земля 4,5 мілліарди років тому. Таким чином, проблема в тому, що треба викинути всі ваші чисті хімічні речовини в лабораторних умовах, і спробувати зробити деякі протоклітини з реалістичними властивостями із такого ось примітивного мулу.

І тоді ми знову побачимо самовідтворення цих жирових крапель, які ми бачили раніше, а чорні точки усередині є певного роду чорною смолою - різноманітною дуже складною, органічною смолою. І ми застосоуємо їх у цих експериментах, які ви бачили раніше і тоді ми спостерігаємо той живий рух, що утворився. Вони виглядають дуже гарно, дуже красивий рух, і, здається, їх поведінка дещо схожа на ситуацію, коли вони кружляють одна навколо одної і слідують одна за одною, схожа на те, що ми бачили раніше - але, знову таки, це при роботі тільки з первинними умовами, без чистих хімікатів. Це також смоляні протоклітини, які можуть визначити місцезнаходження ресурсів у навколишньому середовищі. Я збираюся додати зліва трохи ресурсів, ось, це розчиняється у системі, і ви можете побачити, що їм це дуже подобається. Вони стають дуже енергійними, і знаходять ресурси у навколишньому середовищі, подібно до того, що ми бачили раніше. Але знову, це відбувається у цих первісних умовах, дійсно хаотичних умовах, зовсім не як у стерильній лабораторії. Це дуже брудні маленькі протоклітини, між іншим. (Сміх) Але у них є властивості, подібні до життєвих, в цьому й річ.

Тобто, проводячи штучні експерименти, ми допомагаємо виявити потенційний зв'язок між живими та неживими системами. І не тільки це, це допомагає нам також розширити наш погляд на те, що таке життя і яке саме життя є можливим десь там у просторі - життя може відрізнятися від того, яке ми знаходимо тут, на планеті Земля. І це приводить мене до наступного терміну, який звучить як "дивне життя". Це визначення дав Стівен Беннер. Воно було вжите стосовно звіту 2007 року, зробленого Національною дослідницькою радою Сполучених Штатів, в якому вони намагалися зрозуміти, як можна шукати життя в інших всесвітах, особливо, якщо це життя дуже відрізняється від життя на Землі. Якби ми полетіли на іншу планету і припускали, що там можливе життя, яким чином ми могли хоча б визначити, життя це чи ні?

Ну, вони вирішили застосувати три дуже загальних критерії. Перший - ось вони тут наведені. Перший - система не має перебувати в рівновазі. Фактично це означає, що вона не може бути мертвою. Тобто, якщо є введення енергії в систему, яку життя може використовувати, щоб підтримувати себе. Подібно тому, як на Землю світить Сонце, керуючи фотосинтезом, постачаючи енергію екосистемі. Без Сонця, швидше за все, не було б життя на цій планеті. По-друге, життя має бути у рідкому вигляді, тобто, це означає, що навіть, якби в нас були цікаві структури, цікаві молекули разом, але вони були б заморожені в твердому стані, тоді, це не дуже добре місце для життя. І по-третє, нам потрібна можливість створювати і руйнувати хімічні зв'язки. І знову ж таки, це важливо, бо життя перетворює ресурси з навколишнього середовища у будівельний матеріал, щоби підтримувати себе.

Сьогодні я розповів вам про дуже дивні і незвичайні протоклітини - деякі містять глину, деякі містять у собі первинне болото, якісь базуються на краплинах жиру замість води. БІльшість з них не має ДНК, але вони мають властивості, подібні до життєвих. Проте усі ці протоклітини відповідають загальним вимогам живих систем. Отже, проводячи ці експерименти по створенню хімічного, штучного життя, ми сподіваємося не тільки зрозуміти щось фундаментальне про виникнення життя та існування життя на цій планеті, а й зрозуміти, яке життя можливе у цьому всесвіті. Дякую. (Оплески)