В своей лаборатории, Мартин Ханзич создает "протоклетки", экспериментальные шарики из химических элементов, которые ведут себя как живые клетки. Его работа демонстрирует то, как жизнь возможно впервые зародилась на Земле...и возможно не только не Земле.
Исторически существовало огромное различие между тем, что люди считали неживыми системами, с одной стороны, и живыми системами, с другой стороны. Итак, мы двигаемся от этого красивого и сложного неживого кристалла к этой красивой и сложной живой кошке. В течение последних 150 лет или около того, наука в какой-то мере размыла это разделение между неживыми и живыми системами, и теперь мы считаем, что возможно есть некий континуум, который существует между двумя. Возьмем один пример: вирус это натуральная система, верно? Но она очень простая. Очень упрощенная. Она, на самом деле, не удовлетворяет всем требованиям, не имеет всех характеристик живых систем, и на самом деле является паразитом для других живых систем, чтобы, допустим, размножаться и развиваться.
Но то, о чем мы сегодня будем говорить это эксперименты, проведенные на этом неживом крае спектра - так что на самом деле проводя химические эксперименты в лаборатории, смешивая вместе неживые ингредиенты для создания новых структур, и чтобы эти новые структуры могли иметь некоторые из характеристик живых систем. По сути, то, о чем я говорю здесь, это попытка создания искусственной жизни.
Итак, что это за характеристики, о которых я говорю? Вот они. Мы считаем, что во-первых у жизни есть тело. Это необходимо, чтобы отделить себя от окружающей среды. Жизнь также обладает метаболизмом. Это процесс, с помощью которого жизнь может преобразовывать ресурсы из окружающей среды в строительные материалы, чтобы поддерживать и строить себя. Жизнь также обладает наследственной информацией. Вот мы, люди, храним свою информацию как ДНК в своих геномах, и мы передаем эту информацию своим детям. Если мы соединим первые два - тело и метаболизм - то мы можем получить систему, которая, возможно, могла бы двигаться и воспроизводить себя, и если мы свяжем эти две с наследственной информацией, то у нас может получиться система, которая может быть более жизнеподобной, и возможно, будет развиваться. Так что вот вещи, которые мы пытаемся сделать в лаборатории, провести некоторые эксперименты, где есть одна или более из этих характеристик жизни.
Итак, как же мы все это делаем? Ну, мы используем модель системы, которую мы называем "протоклетка". Вы можете подумать, что это что-то вроде примитивной клетки. Это простая химическая модель живой клетки, и если вы примете во внимание, например, что клетка в вашем теле может иметь порядка миллионов различных типов молекул, которые должны взаимодействовать, работать вместе в сложной системе, чтобы создать что-то, что мы называем жизнью. В лаборатории мы хотим сделать примерно то же самое, но в рамках десятков различных типов молекул - то есть это значительное понижение сложности, но все же попытка создать что-то похожее на жизнь. То есть, мы начинаем с простого, и мы продвигаемся вперед к живым системам. Задумайтесь на мгновение об этой цитате Ледука, который сто лет назад сказал, о синтетической биологии: "Синтез жизни, если он когда-либо произойдет, не будет сенсационным открытием, с которым мы обычно ассоциируем эту идею." Это его первое заявлением. То есть если мы реально создадим жизнь в лабораториях, это, скорее всего, никак не повлияет на наши жизни.
"Если мы принимаем теорию эволюции, тогда первый восход синтеза жизни должен состоять в создании промежуточных форм между неорганическим и органическим миром, между живой и неживой природой, формами, которые обладают только некоторыми из рудиментарных атрибутов жизни" то есть теми, о которых мы только что говорили - "к которым остальные атрибуты будут постепенно добавляться в ходе развития эволюционных действий окружающей среды." Итак, мы начинаем с простого, мы создаем некоторые структуры которые могут иметь некоторые из этих характеристик жизни, и затем мы пытаемся развить это, чтобы было больше похоже на жизнь. Именно так мы можем начать создавать протоклетку. Мы используем идею под названием само-построение. Это означает, что я могу смешать несколько химикатов в пробирке у себя в лаборатории, и эти химикаты начнут связываться сами с собой, для создания всё более крупных структур. Так например, на порядке десятка тысяч сотни и сотни молекул соединятся, чтобы создать более крупную структуру, которая ранее не существовала. И в этом конкретном примере, я взял некоторые мембранные молекулы, смешал их вместе в правильной окружающей среде, и через секунды они создают здесь вот эти довольно сложные и красивые структуры. Эти мембраны также достаточно похожи, морфологически и функционально, на мембраны в вашем теле, и мы их можем использовать, как говорят, для создания тела нашей протоклетки.
Точно так же, мы можем работать с водными и жировыми системами. Как вы знаете, когда вы помещаете жир и воду вместе, они не смешиваются, но путем само-построения мы можем сделать так, чтобы капелька жира сформировалась, и мы можем реально использовать ее как тело для нашего искусственного организма или для нашей протоклетки, как вы увидите позже. То есть мы делаем какие-то тела, так? Некие конструкции. А как насчет других аспектов живых систем? Итак, мы создали эту модель протоклетки, которую я показываю. Мы начали с встресчающейся в естественных условиях глины, называемой монтмориллонит. Эта глина добывается естественным образом. Она создает поверхность, которая, скажем, химически активна. На ней может происходить метаболизм. Некоторые типы молекул любят связываться с глиной. Например, в этом случае, РНК, показанная красным -- это родственник ДНК, молекула, содержащая информацию -- она появляется и начинает взаимодействовать с поверхностью этой глины. Эта структура, таким образом, может организовать формирование мембранной границы вокруг себя, чтобы стать телом из жидких молекул вокруг себя, и это показано зеленым в этом снимке микроскопа. То есть просто через само-построение, смешивание вещей друг с другом в лаборатории, мы можем получить, например, метаболическую поверхность с некоторыми присоединенными информационными молекулами внутри этого мембранного тела, не так ли?
То есть мы находимся на дороге к живым системам. Но если бы вы увидели эту протоклетку, вы не перепутали её с чем-то, что реально является живым. Она на самом деле довольно безжизненна. Когда она формируется, она реально ничего не делает. То есть, чего-то не хватает. Некоторых вещей не хватает. Итак, некоторые из тех вещей, что не хватает, например, это, если бы у вас был поток энергии, проходящий через систему, то мы бы хотели, чтобы протоклетка могла забирать для себя часть из этой энергии, чтобы поддерживать себя, во многом как делают живые системы. Поэтому мы придумали другую модель протоклетки, и она на самом деле проще, чем предыдущая. Эта модель протоклетки, это просто капля масла, но химический метаболизм внутри который позволяет этой протоклетке использовать энергию, чтобы делать что-то, чтобы стать динамичной, как мы здесь увидим. Вы добавляете каплю в систему. Это вода, и протоклетка начинает двигаться по этой системе. Хорошо? Масляная капля формируется путем само-построения, имеет химический метаболизм внутри, чтобы использовать энергию, и она использует энергию чтобы передвигать себя по своей окружающей среде.
Как мы слышали ранее, движение очень важно в живых системах такого типа. Она передвигается, изучает свою окружающую среду, и ремоделирует свою среду, как вы видите, вот этими химическими волнами, которые формируются протоклеткой. То есть она действует, по сути, как живая система, которая пытается себя сохранить. Мы берем ту же самую двигающуюся протоклетку, и помещаем её в другую среду, добиваемся чтобы она двигалась. А потом я добавлю немного пищи в систему, и вы видите вот это в синем свете, не так ди? Итак, я добавляю источник пищи в систему. Протоклетка двигается. Она встречается с пищей. Она перестраивает себя, и затем реально имеет способность забраться в самую большую концентрацию пищи в этой системе и остановиться там. Неплохо? Значит у нас есть не просто эта система, у которой есть тело, есть метаболизм, она может использовать энергию, она двигается. Она может почувствовать свою окружающую среду, и реально найти ресурсы в этой среде, чтобы поддержать себя.
Однако, у нее нет мозга, нет нервной системы. Это просто набор химикатов, который может иметь такое интересное и сложное, подобное жизни, поведение. Если мы посчитаем количество химикатов в этой системе, то реально, включая воду, которая находится в чаше, у нас пять химикатов, которые могут это сделать. Итак, затем мы соединяем эти протклетки вместе, в едином эксперименте, чтобы увидеть, что они сделают, и в зависимости от условий, у нас есть несколько протоклеток слева, которые двигаются, и им нравится соприкасаться с другими структурами в этой среде. С другой стороны, у нас есть две двигающиеся протоклетки, которым нравится крутиться вокруг друг друга, и они формируют что-то типа танца, сложного танца друг с другом. Так? Значит не только отдельные протоклетки имеют поведение, то, что мы интерпретировали как поведение, но у нас также есть по сути, поведение уровня популяции, похожее на поведение организмов. Теперь, когда вы все стали экспертами по протоклеткам, мы поиграем в игру с этими протоклетками. Мы сделаем два разных типа. У протоклетки А есть определенная химическая система внутри, которая, когда активируется, протоклетка начинает вибрировать вокруг, просто танцевать. Запомните, это примитивные вещи, поэтому танцующие протоклетки это для нас очень интересно.
У второй протоклетки внутри другая химия, и когда она активирована, то протоклетки все собираются и сливаются в одну большую клетку. Понятно? И мы просто помещаем эти два типа вместе в одну систему. И вот есть популяция А, есть популяция В, и затем мы активируем систему, и протоклетки В, они голубого цвета, они соединяются. Они сливаются, чтобы сформировать одну большую каплю, и другая протоклетка просто танцует вокруг. И это просто происходит до тех пор, пока энергия в системе полностью использована, и тогда, конец игры. Затем я повторил эксперимент несколько раз, и один раз произошло что-то интересное. Итак, я совместил эти протоклетки вместе, в одной системе, и протоклетка А и протоклетка В слились вместе, чтобы сформировать гибридную протоклетку АВ. Этого раньше не происходило. И вот оно происходит. Теперь в этой системе есть протоклетка АВ. Протоклетке АВ нравится танцевать вокруг какое-то время, пока протоклетка В занимается слиянием, так?
Но потом что-то происходит еще более интересное. Следите за тем, когда эти две большие протоклетки, гибридные, сольются вместе. Теперь у нас есть танцующая протоклетка, и повторяющий себя момент. Вот так. (Смех) И снова, только с каплями химических элементов. И таким образом это работает, у вас есть простая система из пяти химикатов, вот здесь, простая система. Когда они гибридизируются, у вас затем получается то, что отличается от предыдущего, оно более сложное чем предыдущее, и у вас получается появление другого вида подобного жизни поведения, который в этом случае - размножение.
Значит, так как мы можем сделать всякие интересные протоклетки, которые нам нравятся, с интересными цветами и с интересным поведением, и их легко сделать и у них есть интересные подобные жизни качества, то возможно эти протоклетки могут что-то нам сказать о происхождении жизни на планете Земля. Возможно они представляют тот легкодоступный шаг, один из первых шагов, которыми жизнь началась на ранней планете Земля. Конечно, на ранней планете Земля присутствовали молекулы, но они вряд ли были бы этими чистыми структурами, с которыми мы работаем в лаборатории и что я показывал в этих экспериментах. Скорее, они были бы действительно сложной смесью всего на свете, потому что неконтролируемые химические реакции производят разнообразную смесь органических соединений. Думайте об этом, как о первобытном болоте, хорошо? И это водоём, который слишком сложно полностью охарактеризовать, даже современными методами, и продукт выглядит коричневым, как вот эта смола вот здесь слева. Чистое соединение показано справа, для контраста.
Итак, это похоже на то, что происходит с вами когда вы берете чистые кристаллы сахара у себя на кухне, помещаете их в кастрюлю, и применяете энергию. Вы включаете нагрев, вы начинаете создавать и разрушать химические связи в сахаре, и получается коричневатая карамель, не так ли? Если бы вы оставили это без присмотра, то вы бы продолжали создавать и разрушать химические связи создавая еще более разнообразную смесь молекул, которая затем формирует такую черную смолистую фигню в вашей кастрюле, да, которую сложно отмыть потом. Итак это то, как выглядело бы происхождение жизни. Нужно было вытащить жизнь из этого мусора, который существовал на ранней планете Земля, четыре с половиной миллиарда лет назад. Значит, сложной задачей здесь является отбрасывание всех наших чистых химикатов в лаборатории, и попытка создать некие протоклетки с подобными жизни качествами из этого первобытного болота.
И тогда мы снова увидим само-воспроизведение этих тех из масляных капель, которое мы видели ранее, и черные точки внутри представляют такого типа черную смолу -- это разнообразную, очень сложную, органическую черную смолу. И мы помещаем их в один из этих экспериментов, как вы видели раньше, и потом мы наблюдаем за тем живым движением, которое получается. Они выглядят очень хорошо, очень приятные движения, и они похоже, имеют что-то похожее на поведение, когда они крутятся друг вокруг друга и следуют друг за другом, похоже на то, что мы видели ранее -- и опять же, работа только с первобытными условиями, без чистых химикатов. И эти тоже, эти наполненные смолой протоклетки, могут найти местонахождение ресурсов в своей окружающей среде. Я собираюсь добавить слева немного ресурсов, вот, это растворяется в системе, и как вы видите, им это очень нравится. Они становятся очень энергичными, и могут найти ресурс в окружающей среде, схоже с тем, что мы видели ранее. Но опять же, это происходит в этих первобытных условиях, реально беспорядочных условиях, не то что стерильные лабораторные условия. Это очень грязные маленькие протоклетки, между прочим. (Смех) Но у них есть качества, подобные жизни, и в этом суть.
То есть, проводя эти искусственные эксперименты мы помогаем определить потенциальную тропу между живыми и неживыми системами. И не только это, но это также помогает нам расширить наш взгляд на то, что такое жизнь и какая возможная жизнь может быть там -- жизнь, которая может сильно отличаться от жизни, которую мы находим здесь на Земле. И это приводит меня к следующему определению, которое звучит как "странная жизнь". Это определение, данное Стивом Беннером. Оно используется в ссылке на отчет от 2007 года сделанный Национальным Исследовательским Советом Соединенных Штатов, в котором они пытались понять как мы можем искать жизнь где-либо еще во вселенной, да особенно если эта жизнь очень отличается от жизни на Земле. Если бы мы полетели на другую планету и думали, что там может быть жизнь, то как мы можем узнать, определить, что это жизнь?
Ну, они придумывают три очень общих критерия. Первый -- вот они здесь приведены. Первый, которым должна обладать система - отсутствие равновесия. Это значит, что система не может умереть, на самом деле. По сути, это значит, что у нас есть входящяя энергия в систему, которую жизнь может использовать и эксплуатировать для поддержания себя. Это похоже на то, как Солнце светит на Землю, питая фотосинтез, предоставляя энергию экосистеме. Без Солнца, скорее всего на планете не было бы жизни. Во-вторых, жизнь должна быть в жидком виде, то есть это значит, что даже если бы у нас были некие интересные структуры, интересные молекулы, вместе, но они были замороженными напрочь, а это не очень хорошее место для жизни. В-третьих, нам необходимо иметь возможность создавать и разрушать химические связи. И опять же, это важно, потому что жизнь трансформирует ресурсы из окружающей среды в некий строительный материал для поддержания себя.
Сегодня я рассказал вам об очень странных и необычных протоклетках - какие-то содержат глину, какие-то имеют в себе первобытное болото, у некоторых из них по сути внутри масло вместо воды. Большинство из них не содержат ДНК, но все же обладают подобными жизни качествами. Но эти протоклетки удовлетворяют общих требованиям к живым системам. То есть путем этих экспериментов по созданию химической, искусственной жизни, мы надеемся не только понять что-то фундаментальное о происхождении жизни и существования жизни на этой планете, но также понять, какая другая возможная жизнь существует во Вселенной. Спасибо. (Аплодисменты)
