Lee Cronin: Tạo ra các vật chất sống

Điều tôi đang cố gắng và sẽ làm trong 15 phút tới hoặc hơn là nói cho bạn biết một ý tưởng về việc làm thế nào chúng ta có thể khiến các vật chất sống dậy. Hiện tại điều này dường như hơi quá tham vọng, nhưng khi các bạn nhìn lại chính mình, nhìn vào bàn tay mình bạn nhận ra rằng bạn đang sống. Vì vậy đây là điểm khởi đầu. Cuộc tìm kiếm này bắt đầu trên Trái Đất từ bốn tỷ năm trước đây. Đã có một cuộc sống kéo dài bốn tỷ năm cho các vật chất hữu cơ và sinh học. Và với tư cách là nhà hóa học vô cơ, bạn bè tôi và các đồng nghiệp của tôi phân biệt giữa thế giới vật chất hữu cơ, sinh vật sống và thế giới vô cơ, sinh vật chết. Và điều tôi đang cố và sẽ làm là nuôi dưỡng một vài ý tưởng về việc làm sao chúng ta có thể chuyển đổi những vật chất vô cơ không có sức sống sang dạng vật chất sống và sang dạng sinh học vô cơ.

Vì vậy, trước khi chúng ta làm điều đó, tôi muốn đặt sinh học vào đúng chỗ của nó. Và tôi hoàn toàn say mê môn sinh học. Tôi thích làm sinh học nhân tạo tổng hợp. Tôi thích những thứ sống. Tôi thích kiểm soát cấu trúc sinh học. Tuy nhiên trong cấu trúc đó chúng ta phải nhớ rằng động lực của sinh học thực ra đến từ sự tiến hóa. Và sự tiến hóa, dù đã được Charles Darwin và nhiều người khác xác định, cách đây trên 100 năm, thuyết tiến hóa vẫn còn một chút khó hiểu. Khi tôi nói về thuyết tiến hóa của Darwin, tôi chỉ muốn đề cập đến một điều duy nhất, đó chính là sự tồn tại của cá thể mạnh nhất. Và vì thế hãy quên khái niệm tiến hóa về mặt lý thuyết. Hãy nghĩ về sự tiến hóa theo cách đấu tranh sinh tồn của các loài, và có một số đã thắng.

Vì thế xin nhớ rằng với tư cách là nhà hóa học, tôi muốn tự hỏi bản thân mình một câu hỏi liên quan đến sinh học: Đơn vị nhỏ nhất của vật chất có khả năng tiến hóa theo thuyết của Darwin là gì? Và đây thực sự là một câu hỏi sâu sắc. Với tư cách là nhà hóa học, hàng ngày chúng tôi không quen với những câu hỏi như thế. Vì thế khi tôi nghĩ về nó, tôi lập tức nhận ra rằng sinh học đã cho chúng ta câu trả lời. Và trên thực tế, đơn vị nhỏ nhất của vật chất có thể tự tiến hóa độc lập trên thực tế chính là một tế bào đơn -- một vi khuẩn

Điều này lại đặt ra ba câu hỏi thực sự quan trọng, đó là: Cuộc sống là gì? Sinh học có đặc biệt? Các nhà sinh vật học dường như thường cho là thế. Vật chất có thể tiến hóa không? Bây giờ, nếu chúng ta trả lời những câu hỏi này theo thứ tự đảo ngược câu hỏi thứ 3 -- vật chất có thể tiến hóa không? -- nếu chúng ta trả lời điều đó, thì chúng ta sẽ biết ngành sinh học đặc biệt như thế nào, và có thẻ, chỉ có thể thôi nhé, chúng ta sẽ có một vài ý tưởng về khái niệm về cuộc sống.

Và đây là một vài thể vô cơ. Đây là một hạt tinh thể chết, và tôi sẽ làm một vài thứ với nó, và nó sẽ trở thành sinh vật sống. Và bạn có thể thấy một số hoạt động dạng như thụ phấn, nảy mầm, sinh trưởng. Đây là một cái ống vô cơ. Và tất cả những hạt tinh thể ở đây nằm dưới kính hiển vi cách đây một vài phút đều là vật vô tri, và chúng trông giống như đang sống. Tất nhiên, chúng không sống. Đây là một thí nghiệm hóa học, trong đó tôi đã tạo ra một vườn tinh thể. Nhưng khi tôi nhìn thấy chúng, tôi đã thực sự bị thu hút, bởi chúng trông giống như những sinh vật sống. Và khi tôi tạm dừng trong một vài giây, nhìn vào màn hình. Bạn có thể thấy một cấu trúc đang lớn dần lên, lấp đầy khoảng trống. Và nó là vật vô tri. Vì thế tôi đã lạc quan cho rằng nếu chúng ta có thể bằng cách nào đó tạo ra những vật chất có khả năng bắt chước sinh vật thì chúng ta hãy tiến lên một bước nữa. Hãy xem xem liệu chúng ta có thể thực sự khiến vật chất trở nên có sức sống.

Tuy nhiên có một vấn đề, do cho tới tận một thập kỷ trước, chúng ta thường được dạy rằng cuộc sống là không thể có thực và rằng chúng ta là sinh vật tuyệt vời nhất trên vũ trụ. Trên thực tế, chúng ta đã là loài người duy nhất trong vũ trụ. Hiện nay, điều này hơi chán. Vì thế, với tư cách là nhà hóa học tôi muốn nói rằng," Chờ một chút. Điều gì đang diễn ra ở đây? Có phải cuộc sống là điều không chắc chắn có thực?" Và đây thực sự là một câu hỏi khó. Tôi cho rằng có lẽ sự xuất hiện của các tế bào đầu tiên có thực giống như sự xuất hiện của các ngôi sao. Và trên thực tế, hãy tiến thêm một bước nữa. Hãy nói rằng nếu vật lý học của sự hợp nhất đã được mã hóa trong vũ trụ, thì có thế vật lý của cuộc sống cũng có quy trình tương tự. Và vì vậy vấn đề với nhà hóa học -- và điều này cũng là một lợi thế lớn -- là chúng ta thích tập trung vào các yếu tố của chúng ta. Trong sinh học, carbon đứng ở vị trí trung tâm. Và carbon tồn tại trong vũ trụ, và trong sinh học hữu cơ, chúng ta có một cuộc sống đa dạng một cách tuyệt vời. Trên thực tế, chúng ta có những dạng sống đáng kinh ngạc mà chúng ta có thể điều khiển được. Chúng tôi rất cẩn thận trong thí nghiệm cố tránh những lỗi sai sinh học.

Còn về vật chất thì sao? Nếu chúng ta có thể khiến vật chất sống được, chúng ta có tạo ra những sai sót vật chất? Hãy nghĩ đi, đây là câu hỏi nghiêm túc. Nếu chiếc bút của bạn có thể nhân đôi, điều đó có trở thành một vấn đề. Vì thế chúng ta phải nghĩ khác đi nếu chúng ta có thể khiến vật chất vô cơ thành hữu cơ. Và chúng ta cũng phải nhận thức được các vấn đề. Tuy nhiên chúng ta có thể tạo ra cuộc sống, hãy suy nghĩ một chút về những đặc trưng của cuộc sống. Và hãy bỏ qua biểu đồ phức tạp. Đây chỉ là bộ sưu tập các lộ trình trong tế bào. Và tế bào rõ ràng là một thứ rất hay. Những nhà sinh vật học tổng hợp đang điều khiển nó. Các nhà hóa học đang cố nghiên cứu những phân tử nhằm tìm kiếm bệnh. Và các bạn đều có tất cả những lộ trình diễn ra cùng lúc. Bạn có sự kiểm soát; thông tin được sao chép; chất xúc tác được tạo, mọi việc tự nhiên diễn ra. Nhưng một tế bào thì có chức năng gì? Nó phân chia, cạnh tranh, nó tồn tại. Và tôi nghĩ rằng nó là nơi chúng ta phải bắt đầu khi nghĩ về việc xây dựng ý tưởng về cuộc sống.

Tuy nhiên cuộc sống còn có những đặc tưng nào khác? Tôi thích nghĩ về nó như một ngọn lửa trong một cái chai. Và vì thế cái chúng ta đang có ở đây chính là sự miêu tả của các tế bào đơn đang phân chia, chuyển hóa, đốt cháy qua các thí nghiệm hóa học. Và chúng ta phải hiểu rằng nếu chúng ta tạo ra cuộc sống nhân tạo hoặc hiểu về nguồn gốc của cuộc sống, chúng ta cần phải tiếp sức cho nó bằng cách nào đó. Vì thế trước khi chúng ta thực sự bắt đầu tạo ra cuộc sống, chúng ta phải thực sự nghĩ về việc nó đến từ đâu. Và trong một lá thư gửi đồng nghiệp, Darwin cũng bối rối khi ông nghĩ rằng cuộc sống có thể xuất hiện tại một vũng nước ấm nhỏ bé ở một nơi nào đó -- có thể ở Scotland, có thể ở Châu Phi, và có thể ở nơi nào khác. Nhưng câu hỏi trung thực nhất là, chúng ta chỉ không biết, bởi vì có vấn đề với nguồn gốc. Hãy quay trở về 4,5 tỷ năm trước đây, thời kỳ đó có vô số vật chất làm từ sự pha trộn hóa học. Và từ vật chất đó, chúng ta được hình thành.

Vì thế, khi bạn nghĩ về bản chất nguồn gốc không chắc chắn của những gì tôi sẽ nói với bạn trong những phút tiếp theo, hãy nhớ là, chúng ta được tạo thành từ những vật chất trên hành tinh Trái Đất. Và cúng ta trải qua vô số thế giới. Những người RNA có thể nói về thế giới RNA. Chúng ta có protein và DNA. Sau đó chúng ta tiến đến thời tổ tiên gần đây nhất. Tiến hóa bắt đầu -- và đó là giai đoạn rất thú vị. Và giờ có chúng ta ở đây. Tuy nhiên có những trở ngại mà các bạn không thể vượt qua. Các bạn có thể giải mã gen, và có thể xem lại, bạn có thể kết nối chúng ta với nhau bằng một phân tử DNA, tuy nhiên chúng ta không thể đi quá thời đại tổ tiên gần nhất của mình, tế bào có thể nhìn được gần nhất mà chúng ta có thể suy ra hoặc tưởng niệm về lịch sử. Vì thế chúng ta không biết làm thế nào chúng ta có thể đến đây.

Có hai lựa chọn, thiết kế thông minh, trực tiếp và gián tiếp -- vì Chúa, hoặc các bạn tôi. Bây giờ, nói về cuộc sống của chúng ta bắt nguồn từ ngoài Trái Đất, hoặc tương tự, sẽ chỉ đưa vấn đề rồi rắm hơn. Tôi không phải một nhà chính trị, tôi là một nhà khoa học. Có một điều khác chúng ta cần suy nghĩ đó chính là sự hiện diện của các hợp chất hóa học. Đây là điều có khả năng nhất. Vì thế chúng tôi có một số loại hỗn hợp căn bản Và nó hóa ra là nguồn tốt với tất cả 20 axit amin. Và bằng cách nào đó những axit amin này được kết hợp, và cuộc sống bắt đầu. Nhưng cuộc sống bắt đầu, có nghĩa là gì? Cuộc sống là gì? Những vật chất của cuộc sống là gì?

Vào những năm 1950, Miller-Urey đã tiến hành thí nghiệm hóa học Frankenstein thú vị, trong thí nghiệm này họ đã tiến hành như trong thế giới hóa học. Họ có những nguyên vật liệu cơ bản, đặt chúng vào một bình đơn và đốt cháy chúng và cho nhiều điện cực đi qua. Và họ đã quan sát những gì có trong hỗn hợp thu được, và họ đã tìm thấy các axit amin, nhưng không có gì xuất hiện, không có tế bào. Vì thế cả thí nghiệm đã đi đến bế tắc trong một thời gian, và quay trở lại trong thập niên 80 khi khoa học phân tích và công nghệ máy tính ra đời.

Trong phòng thí nghiệm của tôi, cách chúng tôi cố tạo ra cuộc sống hữu cơ bằng cách sử dụng những định dạng tương tác khác nhau. Vì thế cái chúng tôi đang cố làm là tạo ra phản ứng -- không phải trong 1 bình thót cổ, mà trong 10 bình thót cổ, và kết nối chúng với nhau, như bạn có thể thấy trong hệ thống sơ đồ này, tất cả những đường ống. Chúng tôi có thể tạo ra dòng chảy loãng siêu nhỏ, chúng tôi có thể tạo ra bản in đá, chúng tôi có thể tạo ra trên máy in 3D, chúng tôi có thể in ra thành tờ rơi cho các đồng nghiệp. Và điều quan trọng là có nhiều hợp chất hóa học chỉ là dạng bong bóng. Nhưng đó có thể đưa đến thất bại, vì thế chúng tôi cần tập trung.

Và câu trả lời, tất nhiên nằm ở những con chuột. Đây là điều tôi nhớ về tố chất để trở thành nhà hóa học. Tôi nói,"Tôi cần phân tử." Nhưng tôi cần sự trao đổi chất, tôi cần năng lượng. Tôi cần thêm thông tin, và tôi cần một bình đựng. Bởi nếu tôi muốn sự tiến hóa, tôi cần thùng đựng để chúng có thể cạnh tranh. Nếu bạn có một hộp đựng, nó giống như vào trong xe ô tô của bạn. "Đây là xe của tôi, và tôi sẽ lái xe đi dạo và khoe với mọi người." Và tôi tưởng tượng bạn có điều tương tự trong sinh học tế bào với sự xuất hiện của cuộc sống. Có lẽ, những điều này kết hợp với nhau cho chúng ta sự tiến hóa. Và cách thử nó trong phòng thí nghiệm là tạo ra một mẫu vật nhỏ.

Vì thế những gì chúng tôi đang cố làm và làm là tạo ra phân tử dạng khối Lego vô cơ. Hãy quên các phân tử trên màn hình, nhưng chúng là những dạng rất đơn giản. Có thể chỉ có ba hoặc bốn dạng khác nhau của các khối hình xây lắp. Và chúng tôi có thể kết hợp chúng với nhau và tạo ra hàng nghìn, hàng nghìn phân tử nano cực to có kích thước tương tự kích thước phân tử DNA và protein, nhưng không có carbon. Carbon bị cấm. Và với bộ Lego này, chúng tôi có sự đa dạng cần thiết để lưu trữ thông tin phức tạp mà không cần DNA. Nhưng chúng tôi cần tạo ra một vài hộp đựng. Và chỉ vài tháng trước trong phòng thí nghiệm của tôi, chúng tôi đã có thể mang những phân tử tương tự và tạo ra các tế bào với chúng. Và bạn có thể thấy trên màn hình một tế bào nhân tạo. Và chúng tôi hiện đang cho vào bên trong một số chất hóa học và làm một số hóa học bên trong tế bào này. Và tất cả những gì tôi muốn cho các bạn thấy đó là chúng ta có thể tạo ra phân tử trong màng sinh chất, trong tế bào thật, và sau đó tạo ra một loại lý thuyết Darwin về phân tử, sự tồn tại phân tử của vật chất khỏe mạnh nhất.

Và đây là đoạn phim chỉ ra sự cạnh tranh giữa các phân tử. Phân tử cạnh tranh vì vật chất. Chúng được tạo ra từ cùng vật chất, nhưng chúng muốn hình dạng của mình chiến thắng. Chúng muốn hình dạng của chúng tiếp tục tồn tại. Và đó là chìa khóa. Nếu chúng ta có thể bằng cách nào đó khuyến khích những phân tử này nói chuyện với nhau và tạo ra những hình dạng đúng và cạnh tranh, chúng sẽ bắt đầu tạo thành các tế bào có khả năng nhân bản và cạnh tranh. Nếu chúng ta muốn làm được điều đó, hãy quên những chi tiết về phân tử.

Hãy nhìn vào những gì có thể có ý nghĩa. Vì vậy chúng ta có lý thuyết tiến hóa đặc biệt này vốn chỉ áp dụng trong sinh học hữu cơ, đối vói chúng ta. Nếu chúng ta có thể tạo ra sự tiến hóa trong thế giới vật chất, thì tôi xin đề xuất chúng ta nên có học thuyết tiến hóa chung. Và điều đó rất đáng được cân nhắc. Liệu rằng sự tiến hóa có kiểm soát tính phức tạp của vật chất trong vũ trụ? Liệu có tồn tại lực thúc đẩy sự tiến hóa cho phép vật chất có thể cạnh tranh với nhau hay không? Điều đó có nghĩa là chúng ta có thể bắt đầu phát triển những nền móng khác nhau nhằm khai thác được sự tiến hóa này. Bạn hãy tưởng tượng, nếu chúng ta có thể tạo ra dạng sống nhân tạo có khả năng tự cung tự cấp, thì nó không chỉ cho chúng ta biết về nguồn gốc sự sống -- có khả năng rằng vũ trụ không cần carbon để tồn tại; nó có thể sử dụng bất cứ cái gì -- chúng ta có thể tiến sâu hơn một bước và phát triển công nghệ mới, bởi vì chúng ta có thể sử dụng các phần mềm kiểm soát vào quá trình tiến hóa để mã hóa chúng.

Hãy tưởng tượng rằng chúng ta có thể tạo ra một tế bào nhỏ. Chúng ta muốn đặt nó vào môi trường, và chúng ta muốn nó nhận năng lượng từ Mặt Trời. Những gì chúng ta làm là phát triển nó trong một chiếc hộp có ánh sáng. Và chúng ta không sử dụng thiết kế nữa. Chúng ta nhận thấy nó có tác dụng. Chúng ta nên tạo cảm hứng từ sinh học. Sinh học không quan tâm đến thiết kế trừ khi nó có tác dụng. Vì thế điều này sẽ tái tổ chức cách chúng ta thiết kế mọi thứ. Nhưng không chỉ có vậy, chúng ta bắt đầu nghĩ về cách chúng ta có thể bắt đầu xây dựng mối quan hệ cộng sinh với sinh học. Điều đó không tuyệt sao nếu các bạn có thể lấy những tế bào sinh học nhân tạo và kết hợp chúng với các tế bào sinh học để sửa chữa những vấn đề mà chúng ta chưa thể thực sự giải quyết? Vấn đề chính trong sinh học tế bào là chúng ta sẽ không bao giờ hiểu được mọi thứ, bởi vì đó là vấn đề đa chiều do sự tiến hóa phát sinh ra. Sự tiến hóa không thể tách rời được. Bằng cách nào đó các bạn cần tìm ra chức năng nổi bật nhất. Và tôi nghiệm ra một cách sâu sắc rằng, nếu điều đó đúng, khái niệm về loại gen ích kỷ sẽ được nâng cấp, và chúng ta thực sự bàn về vật chất ích kỷ.

Và điều đó có ý nghĩa gì trong một vũ trụ nơi chúng ta hiện đang là dạng sống cao nhất? Các bạn đang ngồi trên ghế. Chúng là những vật vô tri, chúng không có sức sống. Nhưng các bạn đều do các vật chất tạo nên và bạn đang sử dụng vật chất, và đang biến vật chất thành nô lệ. Vì thế sử dụng sự tiến hóa trong sinh học và trong sinh học vô cơ, đối với tôi khá cuốn hút, khá thú vị. Và chúng ta thực sự sẽ dần hiểu những bước cơ bản để biến vật vô tri trở nên có sức sống. Và một lần nữa, khi bạn đang nghĩ về việc điều này thật không tưởng, hãy nhớ rằng, 5 tỷ năm trước, chúng ta không ở đây, và không có cuộc sống. Vậy điều gì cho chúng ta biết

về nguồn gốc sự sống và ý nghĩa của cuộc sống? Có lẽ, với tư cách là nhà hóa học, tôi muốn tránh dùng thuật ngữ chung chung; tôi muốn nghĩ về từ cụ thể. Vậy còn về việc định nghĩa cuộc sống? Chúng ta đang thực sự gặp khó khăn trong việc này. Và tôi cho rằng, nếu chúng ta có thể tạo ra ngành sinh học vô cơ, chúng ta có thể khiến vật chất tiến hóa, và điều đó sẽ định nghĩa được cuộc sống. Tôi cho rằng vật chất có thể tiến hóa là dạng vật chất sống, và điều này cho chúng ta ý tưởng tạo ra các vật chất có thể tiến hóa.

Cảm ơn các bạn rất nhiều.

(Vỗ tay)

Chris Anderson: Chỉ là một câu hỏi nhanh Anh có tin rằng anh sẽ thành công với dự án này? Khi nào?

Lee Cronin: Nhiều người nghĩ rằng cuộc sống cần hàng triệu năm để tiến hóa. Chúng tôi đề xuất làm điều này chỉ trong vài giờ, khi chúng tôi thiết lập công thức hóa học đúng đắn.

CA: Theo anh khi nào điều này sẽ xảy ra?

LC: Hy vọng trong vòng 2 năm tới.

CA: Đó sẽ là một câu chuyện gây chấn động. (Cười) Theo anh, anh tin tưởng như thế nào cơ hội đi bộ quanh các hành tinh khác ở những nơi cuộc sống không dựa vào carbon, đi bộ hay có nước hoặc điều gì khác?

LC: Tôi nghĩ có 100 % cơ hội. Bởi sự thực là chúng ta quá dựa dẫm vào sinh học, nếu anh bỏ carbon đi, những thứ khác sẽ có thể xảy ra. Những thứ khác nếu chúng ta có thể tạo ra cuộc sống không dựa vào carbon, có thể chúng ta sẽ nói cho NASA biết họ thực sự cần tìm kiếm điều gì. Đừng cố đi và tìm carbon, hãy đi và tìm những vật chất tiến hóa.

CA: Lee Cronin, xin chúc may mắn. (LC: Cảm ơn anh rất nhiều.)

(Vỗ tay)