Martin Hanczyc: The line between life and not-life

Překladatel: Honza Prokes Korektor: Nicole AguilaAurum

So historically there has

Lidé od pradávna

been a huge divide between what people

ostře rozlišovali mezi systémy, které jim připadaly jako neživé,

consider to be non-living systems on one

side, and living systems on the other side.

a těmi, které se jim zdály být živé.

So we go from, say, this beautiful and

Na jedné straně máme například nádherný

complex crystal as non-life, and this rather

neživý celek v podobě krystalu,

a na druhé straně nádherný, živý celek v podobě kočky.

beautiful and complex cat on the other side.

Over the last hundred and fifty years or so,

Za posledních 150 let

science has kind of blurred this distinction

věda hranici mezi živými a neživými systémy trochu rozmazala.

between non-living and living systems, and

now we consider that there may be a kind

V současnosti máme za to,

of continuum that exists between the two.

že mezi obojím existuje plynulý přechod.

We'll just take one example here:

Jeden příklad za všechny.

a virus is a natural system, right?

Virus je přírodní systém.

But it's very simple. It's very simplistic.

Je ale velice primitivní.

It doesn't really satisfy all the requirements,

Není živý, protože mu některé vlastnosti života chybí.

it doesn't have all the characteristics

of living systems and is in fact a parasite

Aby se mohl množit a vyvíjet, musí na živých systémech parazitovat.

on other living systems in order to, say,

reproduce and evolve.

But what we're going to be talking about here

Dnes ale budeme hovořit

tonight are experiments done on this sort of

o pokusech na neživé části onoho spektra.

non-living end of this spectrum -- so actually

doing chemical experiments in the laboratory,

O laboratorních chemických pokusech,

mixing together nonliving ingredients

kde se mísí neživé přísady,

to make new structures, and that these

aby vznikly nové struktury,

new structures might have some of the

které mohou mít některé vlastnosti živých systémů.

characteristics of living systems.

Really what I'm talking about here is

Budu vlastně mluvit o pokusech, jak uměle stvořit život.

trying to create a kind of artificial life.

So what are these characteristics that I'm

Jaké vlastnosti má tedy život?

talking about? These are them.

Život v prvé řadě musí mít tělo,

We consider first that life has a body.

Now this is necessary to distinguish the self

aby se vymezil od svého prostředí.

from the environment.

Life also has a metabolism. Now this is a

Život má také metabolismus,

process by which life can convert resources

aby přeměnil získanou potravu ve stavební jednotky.

from the environment into building blocks

so it can maintain and build itself.

Díky nim se udržuje a narůstá.

Life also has a kind of inheritable information.

Život má také dědičnou informaci.

Now we, as humans, we store our information

My, lidé, ji máme v DNA a předáváme ji v genech potomkům.

as DNA in our genomes and we pass this

information on to our offspring.

If we couple the first two -- the body and the metabolism --

Když má tělo metabolismus,

we can come up with a system that could

může dál vzniknout systém schopný pohybu a replikace.

perhaps move and replicate, and if we

coupled these now to inheritable information,

Pokud dál přidáme dědičnou informaci,

we can come up with a system that would be

může být systém schopný i evoluce.

more lifelike, and would perhaps evolve.

And so these are the things we will try to do

Našim cílem tedy je laboratorně vytvořit

in the lab, make some experiments that have

jednu či více z uvedených vlastností.

one or more of these characteristics of life.

So how do we do this? Well, we use

Jak to děláme?

a model system that we term a protocell.

Vytváříme tzv. "protobuňku".

You might think of this as kind of like a

Je to jakási primitivní buňka.

primitive cell. It is a simple chemical

Jednoduchý chemický model živé buňky.

model of a living cell, and if you consider

Buňka ve vašem těle se ovšem skládá

for example a cell in your body may have

on the order of millions of different types

z milionů různorodých, složitě propojených molekul.

of molecules that need to come together,

play together in a complex network

A ten celek pokládáme za cosi živého.

to produce something that we call alive.

In the laboratory what we want to do

My vytváříme něco podobného,

is much the same, but with on the order of

ale děláme to jen z desítek typů molekul.

tens of different types of molecules --

Vytváříme tedy něco na způsob života,

so a drastic reduction in complexity, but still

ale pracujeme s nesrovnatelně menší komplexitou.

trying to produce something that looks lifelike.

And so what we do is, we start simple

Začínáme zkrátka s něčím jednoduchým,

and we work our way up to living systems.

a postupně se dostáváme dál.

Říká se tomu syntetická biologie. Biolog Leduc o ní před sto lety prohlásil:

Consider for a moment this quote by

Leduc, a hundred years ago, considering a

kind of synthetic biology:

"The synthesis of life, should it ever occur,

"Syntéza života, pokud k ní dojde,

will not be the sensational discovery which we

nebude tak senzační objev, jak si představujeme."

usually associate with the idea."

That's his first statement. So if we actually

Stvoříme-li tedy umělý život, náš svět se tím nejspíš nijak nezmění.

create life in the laboratories, it's

probably not going to impact our lives at all.

"Pokud přijímáme evoluční teorii,

"If we accept the theory of evolution, then

budou první krůčky v syntéze života

the first dawn of synthesis of life must consist

spočívat v tvorbě čehosi

in the production of forms intermediate

na rozhraní organického a neorganického,

between the inorganic and the organic

world, or between the non-living

živého a neživého.

and living world, forms which possess

Výtvor bude mít jen primitivní znaky života."

only some of the rudimentary attributes of life"

-- so, the ones I just discussed --

(O tom jsem právě mluvil.)

"to which other attributes will be slowly added

"Další vlastnosti se budou zvolna

in the course of development by the

přidávat během procesu evoluce v daném prostředí."

evolutionary actions of the environment."

Z jednoduchých struktur, které mají jen některé vlastnosti života,

So we start simple, we make some structures

that may have some of these characteristics

vytváříme tedy struktury čím dál "živější".

of life, and then we try to develop that

to become more lifelike.

A proto začínáme s protobuňkou.

This is how we can start to make a protocell.

Využíváme tzv. sebeuspořádávání.

We use this idea called self-assembly.

What that means is, I can mix some

To znamená, že když v laboratoři

chemicals together in a test tube in my lab,

smísím nějaké chemikálie,

and these chemicals will start to self-associate

tak se začnou samy uspořádávat

to form larger and larger structures.

do větších a větších struktur.

So say on the order of tens of thousands,

Takže na začátku mám struktury, které mají 10 tisíc molekul,

hundreds of thousands of molecules will

come together to form a large structure

a z nich vznikne nová struktura, která má 100 tisíc molekul.

that didn't exist before.

And in this particular example,

Tohle jsou například membránové molekuly.

what I took is some membrane molecules,

Tyto krásné, komplexní struktury vznikly během několika sekund

mixed those together in the right environment,

and within seconds it forms these rather

míšením molekul v určitém prostředí.

complex and beautiful structures here.

These membranes are also quite similar,

Funkčně a tvarově jsou podobné membránám v našich tělech.

morphologically and functionally,

to the membranes in your body,

Právě z takových struktur můžeme vytvořit tělo protobuňky.

and we can use these, as they say,

to form the body of our protocell.

Podobně lze využít vody a oleje.

Likewise,

we can work with oil and water systems.

Voda a olej se sice nemísí,

As you know, when you put oil and water together,

they don't mix, but through self-assembly

ale díky sebeuspořádání vytvoří šikovné krůpěje.

we can get a nice oil droplet to form,

A ty lze rovněž využít jako tělo protobuňky,

and we can actually use this as a body for

our artificial organism or for our protocell,

jak uvidíme později.

as you will see later.

Tím ale vytvoříme jen tělo.

So that's just forming some body stuff, right?

Some architectures.

Co další aspekty života?

What about the other aspects of living systems?

So we came up with this protocell model here

Tohle je model protobuňky vytvořené z přírodního jílu

that I'm showing.

We started with a natural occurring clay

called montmorillonite.

zvaného montmorillonit.

This is natural from the environment, this clay.

Má chemicky aktivní povrch, na němž může probíhat metabolismus.

It forms a surface that is, say, chemically active.

It could run a metabolism on it.

Certain kind of molecules like to associate

S jílem se totiž spojují molekuly,

with the clay. For example, in this case, RNA, shown in red

jako třeba RNA (vyznačená červeně).

-- this is a relative of DNA,

it's an informational molecule --

RNA je obdoba DNA. Nese informaci a může se navázat na povrch jílu.

it can come along and it starts to associate

with the surface of this clay.

This structure, then, can organize the

Tato struktura pak může vytvořit útvar ohraničený membránou.

formation of a membrane boundary around

itself, so it can make a body of

Z molekul tekutiny (vyznačených zeleně) tak může vzniknout tělo.

liquid molecules around itself, and that's

shown in green here on this micrograph.

So just through self-assembly, mixing things

Takže pouhým laboratorním míšením látek

together in the lab, we can come up with, say,

můžeme díky sebeuspořádání

a metabolic surface with some

vytvořit metabolický povrch,

informational molecules attached

který má uvnitř molekulu nesoucí informaci.

inside of this membrane body, right?

So we're on a road towards living systems.

To už je cesta k živým systémům.

But if you saw this protocell, you would not

Ale taková protobuňka pořád ještě

confuse this with something that was actually alive.

nevypadá jako nic živého.

It's actually quite lifeless. Once it forms,

A taky živá není.

it doesn't really do anything.

Jakmile vznikne, už nic nedělá.

So, something is missing.

Potřebujeme tudíž ještě něco navíc.

Some things are missing.

Potřebujeme například,

So some things that are missing is,

aby protobuňka dokázala využívat energetické zdroje

for example, if you had a flow of energy

through a system, what we'd want

a udržovala tím v chodu své funkce,

is a protocell that can harvest

some of that energy in order to maintain itself,

jako to dělají živé systémy.

much like living systems do.

Proto jsme přišli s jinou protobuňkou.

So we came up with a different protocell

model, and this is actually simpler than the previous one.

In this protocell model, it's just an oil droplet,

Je to krůpěj oleje, uvnitř které probíhá metabolismus.

but a chemical metabolism inside

that allows this protocell to use energy

Protobuňka tak může využívat energii a počínat si v prostředí aktivně,

to do something, to actually become dynamic,

as we'll see here.

jak teď uvidíme.

You add the droplet to the system.

Krůpěj přidáme do kádinky s vodou.

It's a pool of water, and the protocell

A protobuňka se začne pohybovat.

starts moving itself around in the system.

Okay? Oil droplet forms

Díky sebeuspořádání v ní probíhá chemický metabolismus.

through self-assembly, has a chemical

metabolism inside so it can use energy,

S jeho pomocí využívá energii

and it uses that energy to move itself

a může se v daném prostředí pohybovat.

around in its environment.

As we heard earlier, movement is very

Pro živé systémy je pohyb velmi důležitý.

important in these kinds of living systems.

Protobuňka pohybem zkoumá prostředí.

It is moving around, exploring its environment,

and remodeling its environment, as you see,

Dělá při tom chemické vlnky, čímž své prostředí přetváří.

by these chemical waves that are forming by the protocell.

So it's acting, in a sense, like a living system

Chová se jako živý systém,

trying to preserve itself.

který usiluje o své zachování.

We take this same moving protocell here,

Tutéž buňku vyzkoušíme i v dalším experimentu.

and we put it in another experiment,

get it moving. Then I'm going

Nechám ji pohybovat a za chvíli přidám potravu.

to add some food to the system,

and you'll see that in blue here, right?

Potrava bude mít modrou barvu.

So I add some food source to the system.

Přidal jsem tedy zdroj potravy. A protobuňka na něj naráží.

The protocell moves. It encounters the food.

It reconfigures itself and actually then

Přetváří se a je schopna

is able to climb to the highest concentration

vyhledat místo s nejvyšší koncentrací potravy,

of food in that system and stop there.

kde se zastaví.

Alright? So not only do we have this system

Nejenže tedy naše protobuňka díky metabolismu

that has a body, it has a metabolism,

it can use energy, it moves around.

využívá energii, aby se pohybovala.

It can sense its local environment

Ona navíc reaguje na prostředí a hledá v něm zdroje výživy.

and actually find resources

in the environment to sustain itself.

Now, this doesn't have a brain, it doesn't have

Přitom nemá nervovou soustavu.

a neural system. This is just a sack of

Je to jen balíček chemikálií.

chemicals that is able to have this interesting

Ale svým složitým chováním už připomíná živý systém.

and complex lifelike behavior.

If we count the number of chemicals

K vytvoření tohoto systému přitom stačí pět chemikálií,

in that system, actually, including the water

that's in the dish, we have five chemicals

a to včetně vody, v níž je potrava.

that can do this.

So then we put these protocells together in a

V dalším pokusu jsme dali do téhož prostředí více protobuněk.

single experiment to see what they would do,

and depending on the conditions, we have

Nalevo máme protobuňky,

some protocells on the left that are

které se pohybují a vzájemně ohmatávají.

moving around and it likes to touch the other

structures in its environment.

On the other hand we have two moving

Protobuňky napravo kolem sebe jen krouží,

protocells that like to circle each other,

jako by spolu složitě tančily.

and they form a kind of a dance, a complex dance with each other.

Right? So not only do individual protocells

Protobuňky tedy mají něco jako specifické chování,

have behavior, what we've interpreted as

behavior in this system, but we also have

basically population-level behavior

a to na úrovni jednotlivců i celých populací,

similar to what organisms have.

podobně jako živé organismy.

So now that you're all experts on protocells,

Teď už jsou z vás experti na protobuňky,

we're going to play a game with these protocells.

a tak si s nimi zahrajeme hru.

We're going to make two different kinds.

Vytvoříme z nich dva typy.

Protocell A has a certain kind of chemistry

Protobuňka A má chemický systém,

inside that, when activated, the protocell

díky němuž se zdá, jako by křepčila.

starts to vibrate around, just dancing.

So remember, these are primitive things,

Už to, že primitivní buňka křepčí,

so dancing protocells, that's very

je ostatně zajímavé. (smích)

interesting to us. (Laughter)

Druhá protobuňka má ale jiný chemický systém.

The second protocell has a different

chemistry inside, and when activated,

Dokáže vyhledávat další protobuňky a spojovat se s nimi.

the protocells all come together and they fuse

into one big one. Right?

Teď oba typy umístíme do téhož prostředí.

And we just put these two together

in the same system.

Tohle je populace A.

So there's population A,

Tohle je populace B.

there's population B, and then

we activate the system,

Modré protobuňky B se začnou slučovat

and protocell Bs, they're the blue ones,

they all come together. They fuse together

do jediného velkého útvaru.

to form one big blob, and the other protocell

Ostatní protobuňky zatím křepčí okolo.

just dances around. And this just happens

until all of the energy in the system is

A to pokračuje, dokud se nevyčerpá energie.

basically used up, and then, game over.

Pak hra skončí.

So then I repeated this experiment

Tenhle pokus jsem několikrát opakoval.

a bunch of times, and one time

Jednou se stalo něco velmi zajímavého.

something very interesting happened.

So, I added these protocells together

Dal jsem protobuňky A a B opět do téhož prostředí,

to the system, and protocell A and protocell B

fused together to form a hybrid protocell AB.

a ony vytvořily hybridní protobuňku AB.

That didn't happen before. There it goes.

There's a protocell AB now in this system.

Tady vidíte vzniklou protobuňku AB.

Protocell AB likes to dance around for a bit,

Protobuňka AB teď křepčí okolo

while protocell B does the fusing, okay?

a protobuňky B se mezitím spojily.

But then something even more interesting happens.

A teď se stane něco ještě zajímavějšího.

Watch when these two large protocells,

Sledujte, jak se spojí dvě velké hybridní protobuňky.

the hybrid ones, fuse together.

Now we have a dancing protocell

A křepčící protobuňka se najednou replikuje.

and a self-replication event. Right. (Laughter)

Just with blobs of chemicals, again.

A pořád je to jen kapička chemikálií.

So the way this works is, you have

Vyšli jsme tedy ze dvou systémů o pěti chemikáliích.

a simple system of five chemicals here,

a simple system here. When they hybridize,

Ty se zkřížily a vzniklo něco mnohem komplexnějšího.

you then form something that's different than

before, it's more complex than before,

Došlo k emergenci schopnosti replikace.

and you get the emergence of another kind of

lifelike behavior which

in this case is replication.

So since we can make some interesting

Umíme tedy vytvořit zajímavé protobuňky,

protocells that we like, interesting colors and

které mají hezké barvičky a zajímavě se chovají.

interesting behaviors, and they're very easy

to make, and they have interesting lifelike

Je snadné je vytvořit a jsou jako živé.

properties, perhaps these protocells have

Možná nám tedy prozradí

something to tell us about the origin of life

něco o zrodu života na Zemi.

on the Earth. Perhaps these represent an

Takhle nějak mohl vypadat první, snadno dosažitelný krok,

easily accessible step, one of the first steps

by which life got started on the early Earth.

kterým na Zemi začal život.

Certainly, there were molecules present on

Tytéž molekuly tehdy už na Zemi byly.

the early Earth, but they wouldn't have been

these pure compounds that we worked with

Jenom neměly tak čisté složení jako v našich pokusech.

in the lab and I showed in these experiments.

Rather, they'd be a real complex mixture of

Byly to složité směsi všeho možného.

all kinds of stuff, because

uncontrolled chemical reactions produce

Nekontrolované chemické reakce vytvářely různorodé sloučeniny.

a diverse mixture of organic compounds.

Think of it like a primordial ooze, okay?

Byla to jakási zárodeční břečka.

And it's a pool that's too difficult to fully

Ani s moderními metodami ji neumíme zcela postihnout.

characterize, even by modern methods, and

the product looks brown, like this tar here

Byl to takový hnědý dehet jako tady vlevo.

on the left. A pure compound

To vpravo je pro srovnání čistá verze téhož.

is shown on the right, for contrast.

So this is similar to what happens when you

Něco podobného se děje,

take pure sugar crystals in your kitchen,

když v kastrolku zahříváte čistý cukr.

you put them in a pan, and you apply energy.

You turn up the heat, you start making

Teplo vytváří či naopak narušuje chemické vazby,

or breaking chemical bonds in the sugar,

a z cukru vzniká hnědý karamel.

forming a brownish caramel, right?

If you let that go unregulated, you'll

Pokud v tom budete dál pokračovat,

continue to make and break chemical bonds,

forming an even more diverse mixture of

bude směs ještě různorodější

molecules that then forms this kind of black

a v kastrolku vám vznikne černá, dehtová hmota,

tarry stuff in your pan, right, that's

difficult to wash out. So that's what

kterou nejde vymýt.

A tak mohl vypadat vznik života z břečky,

the origin of life would have looked like.

You needed to get life out of this junk that

která byla na Zemi před 4,5 miliardami let.

is present on the early Earth,

four, 4.5 billion years ago.

So the challenge then is,

Skutečnou výzvou tedy je vytvořit "živé" protobuňky

throw away all your pure chemicals in the lab,

and try to make some protocells with lifelike

nikoli z čistých chemikálií, nýbrž ze zárodeční břečky.

properties from this kind of primordial ooze.

So we're able to then see the self-assembly

Proto jsme s pomocí samouspořádání vytvořili těla z kapek oleje.

of these oil droplet bodies again

that we've seen previously,

Ty černé tečky uvnitř jsou něco jako

and the black spots inside of there

represent this kind of black tar -- this diverse,

rozmanitý, komplexní, organický dehet.

very complex, organic black tar.

And we put them into one of these

Vzniklé protobuňky jsme opět podrobili našim pokusům.

experiments, as you've seen earlier, and then

A výsledkem byl opět pohyb, jako by byly živé.

we watch lively movement that comes out.

They look really good, very nice movement,

and also they appear to have some kind of

A opět se zdá, že protobuňky mají určitý typ chování.

behavior where they kind of circle

Tak jako předtím kolem sebe krouží a sledují se.

around each other and follow each other,

similar to what we've seen before -- but again,

Tentokrát však pracujeme v neupravených podmínkách,

working with just primordial conditions,

no pure chemicals.

bez čistých chemikálií.

These are also, these tar-fueled protocells,

Tyhle protobuňky se živí dehtem a umí ho vystopovat.

are also able to locate resources

in their environment.

I'm going to add some resource from the left,

Za chvíli do systému zleva pronikne zdroj potravy.

here, that defuses into the system,

and you can see, they really like that.

They become very energetic, and able

Protobuňky se ihned aktivují a plují ke zdroji,

to find the resource in the environment,

similar to what we saw before.

tak jako jsme to viděli předtím.

But again, these are done in these primordial

Ale znovu připomínám, že jde o prostředí plné nečistot,

conditions, really messy conditions,

not sort of sterile laboratory conditions.

nikoli o sterilní laboratorní podmínky.

These are very dirty little protocells,

Tyhle protobuňky jsou tak trochu špindírové. (smích)

as a matter of fact. (Laughter)

But they have lifelike properties, is the point.

Ale mají vlastnosti, jako by byly živé, a to je hlavní.

So, doing these artificial life experiments

Pokusy s umělým životem nám tak pomáhají

helps us define a potential path between

načrtnout možnou cestu od neživých systémů k těm živým.

non-living and living systems.

And not only that, but it helps us

Navíc zároveň rozšiřují naši představu o tom, co život je

broaden our view of what life is

and what possible life there could be

a jak by mohl vypadat na jiných planetách,

out there -- life that could be very different

kde se může od života na Zemi výrazně lišit.

from life that we find here on Earth.

And that leads me to the next

To mě přivádí k pojmu tzv. "divného života".

term, which is "weird life."

This is a term by Steve Benner.

Ten pojem zavedl Steve Benner.

Vztahuje se ke zprávě Národní výzkumné rady USA z r. 2007,

This is used in reference to a report

in 2007 by the National Research Council

in the United States, wherein

která se zamýšlí na tím, jak najít ve vesmíru život,

they tried to understand how we can

look for life elsewhere in the universe, okay,

especially if that life is very different from life

i kdyby byl výrazně odlišný od života na Zemi.

on Earth. If we went to another planet and

Otázka totiž je, zda bychom život na jiné planetě vůbec poznali.

we thought there might be life there,

how could we even recognize it as life?

Well, they came up with three very general

Autoři přišli se třemi obecnými kritérii.

criteria. First is -- and they're listed here.

Tady je jejich seznam.

The first is, the system has to be in

Systém musí být za prvé v nerovnováze. To znamená, že není mrtvý,

non-equilibrium. That means the system

cannot be dead, in a matter of fact.

Basically what that means is, you have

že přijímá energii a využívá ji k uchování svých funkcí.

an input of energy into the system that life

can use and exploit to maintain itself.

This is similar to having the Sun shining

Příkladem je Slunce, které svítí na Zemi a pohání fotosyntézu

on the Earth, driving photosynthesis,

driving the ecosystem.

a celý ekosystém.

Without the Sun, there's likely to be

Bez Slunce by patrně na Zemi nebyl život.

no life on this planet.

Zadruhé, život potřebuje tekutou formu.

Secondly, life needs to be in liquid form,

so that means even if we had some

Ze struktur zamrzlých v pevné hmotě, jakkoli mohou být zajímavé,

interesting structures, interesting molecules

together but they were frozen solid,

život nevznikne.

then this is not a good place for life.

A zatřetí, potřebujeme schopnost tvořit a přerušovat chemické vazby.

And thirdly, we need to be able to make

and break chemical bonds. And again

this is important because life transforms

Jinak život nedokáže přeměňovat potravní zdroje ve stavební jednotky

resources from the environment into

a udržovat své funkce.

building blocks so it can maintain itself.

Dnes jsem vám tedy vyprávěl o jakýchsi podivných protobuňkách.

Now today, I told you about very strange

and weird protocells -- some that contain clay,

Některé obsahovaly jíl a jiné zárodeční břečku.

some that have primordial ooze in them,

some that have basically oil

V některých byl místo vody olej.

instead of water inside of them.

Most of these don't contain DNA,

I když neobsahují DNA, mají vlastnosti, jako by byly živé.

but yet they have lifelike properties.

But these protocells satisfy

Hlavní totiž je, že splňují obecná kritéria živého systému.

these general requirements of living systems.

So by making these chemical, artificial

Našimi pokusy s umělým životem na chemické bázi chceme nejen

life experiments, we hope not only

to understand something fundamental

hlouběji porozumět vzniku a existenci života na Zemi,

about the origin of life and the existence

of life on this planet, but also

ale také tomu, jak by mohl život vypadat jinde ve vesmíru.

what possible life there could be

out there in the universe. Thank you.

Děkuji.

(Applause)

(potlesk)