Искусственно созданная форма жизни озадачила ученых
Разберите домик по частям — уберите оштукатуренные стены, покрытые шифером потолки, паркетные полы — и вы останетесь с рамой, скелетом, который составляет ядро любой структуры. Можем ли мы проделать то же самое с жизнью? Могут ли ученые послойно уменьшить сложность жизни, чтобы выявить суть жизни, основу биологии? Пытаясь это проделать, ученые создали искусственный организм, обладающий лишь генами, необходимыми ему для выживания. Но они понятия не имеют, что делает примерно треть этих генов.
Искусственно созданный организм под названием syn3.0
Может ли жизнь быть искусственной
Работа Крейга Вентера и его коллег на эту тему была опубликована в журнале Science буквально на днях. Команда Вентера скрупулезно развинчивала геном Mycoplasma mycoides, бактерии, которая проживает в крупном рогатом скоте, чтобы выявить чистый костяк генетических инструкций, способных делать жизнь как процесс. Результатом этого стал крошечный организм под названием syn3.0, содержащий всего 473 гена. (Для сравнения: кишечная палочка E. coli содержит от 4 до 5 тысяч генов, а человек — порядка 20 000).
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Тем не менее в этих 473 генах обнаружилась зияющая дыра. Ученые понятия не имеют, что делает треть этих генов. Вместо того чтобы подсветить основные компоненты жизни, syn3.0 показал, сколько нам осталось узнать о самых основах биологии.
«На мой взгляд, особенно интересно, что это может нам рассказать о том, чего мы не знаем, — говорит Джек Шостак, биохимик из Гарвардского университета, не принимавший участия в исследовании. — Так много генов с неизвестными функциями кажутся настолько важными».
«Мы совершенно удивлены и шокированы, — говорит Вентер, биолог, возглавляющий Институт им. Дж. Крейга Вентера в Ла-Хойя, Калифорния, известный за свой вклад в картирование человеческого генома. Исследователи ожидали, что в смеси будет некоторое количество неизвестных генов, возможно, от пяти до десяти процентов генома. — Но в результате получилась потрясающая цифра».
Семя для происков Вентера было посажено в 1995 году, когда его команда расшифровала геном Mycoplasma genitalium, микроба, живущего в мочеполовых путях человека. Когда ученые Вентера начали работать над этим новым проектом, они выбрали M. genitalium — второй полностью секвенированный бактериальный геном — в частности, из-за его крошечного размера. С 517 генами и 580 000 буквами ДНК, эта бактерия обладает одним из самых маленьких известных геномов среди самовопроизводящихся организмов. (Некоторые симбиотические микробы могут выживать со 100-буквенными генами, но полагаются на ресурсы своего хозяина в таком случае).
Компактный набор ДНК M. genitalium поднял вопрос: какое наименьшее число генов может позволить себе клетка? «Мы хотели узнать базовые генные компоненты жизни, — говорит Вентер. — 20 лет назад это казалось хорошей идеей — мы и понятия не имели, к чему нас приведут двадцатилетние поиски».
Минимальный замысел
Вентер и его коллеги изначально намеревались создать урезанный геном, основанный на знаниях учеными биологии. Они хотели начать с генов, участвующих в наиболее важных процессах клетки, вроде копирования и перевода ДНК, и от них уже строить.
Но прежде чем они смогли бы создать эту краткую версию жизни, ученым нужно было выяснить, как спроектировать и построить геном с нуля. Вместо того чтобы редактировать ДНК в живом организме, как делает большинство ученых, они хотели получить полный контроль — спланировать свой геном на компьютере и затем синтезировать ДНК в пробирках.
В 2008 году Вентер и его соратник Гамильтон Смит создали первый синтетический бактериальный геном, построив модифицированную версию ДНК M. genitalium. Затем, в 2010 году, они создали первый самовоспроизводящийся синтетический организм, произведя версию генома M. mycoides и пересадив его разным видам Mycoplasma. Синтетический геном возобладал над клеткой, вытеснил родную рабочую систему и заменил ее версией людей. Искусственный геном M. mycoides был практически идентичен природной версией, за исключением нескольких генетических пометок — ученые добавили свои имена и несколько знаменитых цитат, включая слегка искаженную версию высказывания Ричарда Фейнмана: «Чего я не могу создать, того не понимаю».
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Заполучив правильные инструменты, ученые разработали ряд генетических чертежей для своих минимальных клеток и затем попытались построить их. «Ни один замысел не удался», говорит Вентер. Он посчитал свои многочисленные неудачи наказанием за их высокомерие. Обладает ли современная наука достаточными знаниями базовых биологических принципов, чтобы построить клетку? «Ответом было сокрушительное нет», говорит он.
Поэтому ученые выбрали более трудоемкий и черный путь, заменив подход проектирования методом проб и ошибок. Они нарушали гены M. mycoides, определяя необходимые для выживания бактерий. И стирали лишние гены, чтобы создать syn3.0, имеющую самый маленький геном среди всех независимо размножающихся организмов, обнаруженных на сегодняшний день на Земле.
Минимальный набор ДНК — 473 гена
Что же осталось после липосакции генетического жира? Большинство оставшихся генов принимало участие в одной из трех функций: производство РНК и белков, сохранение точности воспроизведения генетической информации и создание клеточных мембран. Гены для редактирования ДНК были по большей части расходным материалом.
Правда, осталось неясным, что делают остальные 149 генов. Ученые смогли приблизительно классифицировать около 70 из них, основываясь на структуре генов, но они понятия не имеют, какую именно роль эти гены играют в клетке. Функция 79 генов оказалась абсолютной загадкой.
«Мы не знаем, что они дают и почему они имеют важное значение для жизни. Возможно, они делают нечто более тонкое, пока не очевидное и не оцененное в биологии», — говорит Вентер.
Группа Вентера намеревается выяснить, что делают загадочные гены, но сложность задачи умножается на то, что эти гены не похожи ни на какие другие известные гены. Один из способов исследовать их функцию — создать версию клетки, в которой каждый из этих генов можно будет включить и отключить. Когда его выключают, «что первое нарушается?», говорит Шостак. «Можно попытаться прикрепить его к общему классу, вроде метаболизма или воспроизводства ДНК».
Минимальная живая частица
Вентер осторожно старается не назвать syn3.0 универсальной минимальной клеткой. Если бы он проделал тот же набор экспериментов с другим микробом, говорит ученый, он мог бы прийти к совершенно другому набору генов.
На самом деле, нет никакого единого набора генов, в котором нуждаются все живые существа, чтобы существовать. Когда ученые впервые начали искать нечто подобное 20 лет назад, они надеялись, что простое сравнение последовательностей генома от разных видов поможет выявить основную суть, которая присуща всем видам. Но по мере роста каталога последовательностей генома, эта основная суть растворялась. В 2010 году Дэвид Ассери, биолог из Национальной лаборатории Оук-Ридж в Теннесси, и его коллеги сравнили 1000 геномов. И выяснили, что нет ни единого гена, который имелся бы у каждого проявления жизни. «Существуют разные способы получить базовый набор инструкций», говорит Шостак.
Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.
Кроме того, особо важное в биологии зависит по большей части от окружающей среды организма. К примеру, представьте себе микроба, который живет в присутствии яда вроде антибиотика. Этому микробу потребуется ген, который сможет бороться с токсином и будет важным для него. Но уберите токсин — и ген больше не нужен.
Минимальная клетка Вентера является продуктом не только своей среды, но и всей истории жизни на Земле. Когда-то в истории биологии длиной в 4 миллиарда лет могла существовать клетка проще этой. «Мы не просто взяли и с нуля пришли к клетке с 400 генов», говорит Шостак. Вместе с другими учеными он пытается создать более базовые жизнеформы, которые являются показательными для ранних этапов эволюции.
Некоторые ученые говорят, что такой подход снизу вверх необходим, чтобы по-настоящему понять суть жизни. «Если мы когда-нибудь сможем понять хотя бы простейший живой организм, мы сможем спроектировать и создать его с нуля, — говорит Энтони Фосте, биолог из Университета Упсалы в Швеции. — Мы все еще далеки от этой цели».
Искусственная жизнь: фокус с разоблачением
О том, как Крейг Вентер пытался играть в Бога и чему нас учит его опыт
Поделиться:
«Искусственно созданная форма жизни» снова замелькала в заголовках научных новостей. Старожилы помнят, что она там уже мелькала шесть лет назад. Как и в прошлый раз, поводом для сенсации стала работа ученых из института Крейга Вентера: они создали новый вид бактерий с искусственным геномом, содержащим рекордно малое число генов (473 в нашем случае, а когда крик поднимали в прошлый раз, генов было 910). На первый взгляд не слишком очевидно, в чем тут сенсация. Таким образом, на нас ложится обязанность разъяснить, что же послужило поводом для этих всплесков научно-популярного энтузиазма, создана ли на самом деле искусственная жизнь, и если да, то зачем и как, а если нет — почему.
Зачем нужна искусственная жизнь?
Представьте себе: по-прежнему существуют люди, верящие, что у живой материи есть свойства, не сводимые к химии и физике. Этакая жизненная сила. Если ее, дескать, не вдохнуть в мешанину молекул, то мешанина не сможет жить, размножаться и радоваться солнышку. Разумеется, упрямым и ограниченным невеждам, проповедующим подобное мракобесие, хотелось бы утереть нос: из чистейших, химически синтезированных компонентов собрать что-нибудь этакое, чтобы оно потом само начало жить. А мы бы убедились, что эта штуковина ничем принципиально не отличается от прочих форм жизни, созданных не человеческими руками, а природой.
Кроме благородной, но неконструктивной задачи подразнить мракобесов, у этого проекта могла бы быть и другая цель. Один из величайших физиков столетия Ричард Фейнман говорил: «То, чего я не могу воссоздать, я не понимаю». Биологам, конечно, ужасно хотелось бы убедиться в том, что они понимают, хотя бы в общих чертах, как устроено живое. Вы можете очень подробно описывать, как мигают лампочки на системном блоке компьютера, но пока вы не спаяете свой собственный компьютер, никто не поверит вам, что вы действительно ухватили самую суть, а не поверхностные приметы. И вот, конечно, когда первый биолог слепит живой объект из химических компонентов, тогда-то нас уже на кривой козе не объедешь: это будет значить, что если мы и заблуждаемся, то в частностях и мелочах, а самое главное поняли верно.
Почему еще не создана искусственная жизнь?
Если кратко: потому что пока люди не договорились, что значит «жизнь». Если это, к примеру, структуры, способные бесконечно самовоспроизводиться в определенных благоприятных условиях внешней среды, то такой искусственной жизни вокруг хоть пруд пруди. Возьмем хоть Microsoft Office: только подноси новые компьютеры, устанавливай пакет, и копий программы будет все больше и больше. При этом «благоприятной внешней средой» будут сами новые компьютеры и пользователи, вздумавшие установить на них программу. Или другой пример, поближе к биологии: в машинке для полимеразной цепной реакции, каких полно в каждом институте, из маленького кусочка ДНК получается много-много копий. Только подноси сырье и не забывай периодически разбавлять продукт реакции — и ничто не мешает гонять эту машинку бесконечно. Чем вам не жизнь?
О’кей, вирус сойдет? Вирус в этом смысле замечательный объект: стоит только смешать вирусный геном (ДНК) и белки оболочки, и вирус сам начнет собираться в готовые частицы, способные заражать клетки, размножаться в них и творить все свои черные вирусные дела. При этом, естественно, вирусный геном вполне можно синтезировать искусственно, равно как и вирусные белки (хотя второе сделать чуть сложнее). Но хотя такой бессмысленный опыт вполне по силам современной науке, он вряд ли убедит мракобесов: для размножения вируса все равно нужна живая клетка, и именно там, скажет мракобес, ваш искусственный вирус почерпнет недостающую «жизненную силу».
Что могло бы потрясти наших друзей-теистов всерьез, так это искусственная клетка. Никакие принципиальные ограничения не мешают нам соединить в нужной пропорции белки и нуклеиновые кислоты, составляющие клетку какой-нибудь бактерии, и добавить к ним всю нужную мелкую химию. Специально позаботимся о том, чтобы все компоненты были синтезированы химически, а не выделены из живой клетки. Чуть сложнее с мембраной; автор этих строк совсем не в курсе, что там происходит у парней, изучающих бактериальные мембраны, но, видимо, можно найти способ сделать эту самую мембрану из белков и липидов, а потом засунуть в нее все потребное для жизни. Если это и выходит за рамки возможностей современной молекулярной биологии, то не по принципиальным причинам. Были бы деньги и желание.
В общем, получается, что — в зависимости от терминологии — создание искусственной жизни либо давно пройденный и малоинтересный этап, либо эпически масштабная бессмыслица на грани технических возможностей человечества, ничего при этом не добавляющая делу познания природы. Есть, однако, узкая обитаемая щель между этими крайностями — там и поселились ученые, называющие себя «синтетическими биологами».
Кто такой Крейг Вентер и что он делал раньше?
Обычно учеными движет смесь научного любопытства и личных амбиций, в разных пропорциях. Мне симпатичнее те, в ком преобладает любопытство, но это вопрос вкуса; а в Крейге Вентере амбиций столько, что хватит на дюжину Нильсов Боров или Грегоров Менделей. Именно он был главным единоличным вдохновителем расшифровки генома человека (вроде бы именно его собственный геном и был расшифрован первым).
Фото: J. Craig Venter Institute
А когда геномные исследования были подхвачены тысячами серых рабочих лошадок, гордый Вентер решил поиграть в Бога и создать искусственную жизнь. Причем в том единственном понимании, в каком это может быть интересно биологу.
За исходную точку взяли микроба по имени микоплазма. Замечательна она не только тем, что вызывает у людей неприятное воспаление в разных местах (о чем свидетельствует поэтичное название M. genitalium), но и очень маленьким размером генома. Именно геном Mycoplasma genitalium — все ее 525 генов — и был первым геномом, который Крейг Вентер и его коллега Гамильтон Смит синтезировали искусственно. Геном засунули обратно в клетку, и он заработал. Опыт, конечно, дурацкий; но Крейг и Гамильтон еще только набивали руку.
Затем исследователи взяли другой вид микоплазмы — M. mycoides — и вновь синтезировали ее геном, девятьсот с лишним генов. Только засунули его уже не обратно в ту же клетку, а в другой вид микоплазмы, каприколум, из которого предварительно аккуратно вытащили хромосому. И что бы вы думали: новая клетка стала делиться, и ее детишки во всем походили на микоидес, хоть их мама и была каприколой до мозга костей. Вот и еще один бессмысленный опыт, доказывающий разве что, что именно ДНК, а не что-то еще, является носителем наследственности, а то мы раньше не знали. А чтобы испортить впечатление еще сильнее, Вентер и Смит тщеславно вставили в синтетический геном куски, в которых закодировали собственные имена.
А также и пресловутую цитату из Фейнмана: What I cannot create, I do not understand. Не зря же мы помянули ее уже дважды.
Этот странноватый организм — хромосому с метками человеческого тщеславия, засунутую в другой вид микроба, — и прозвали в 2010 году первой синтетической формой жизни, или SYN 1.0. И конечно, это блистательный пример исследования, не принесшего людям ровным счетом никакого нового знания. То есть и не исследование вовсе, а форма искусства: блоху подковывать, знаете ли, тоже было вполне бессмысленным проектом, хоть и прикольно.
Что Крейг Вентер сделал в этот раз?
Даже если считать синтетический организм SYN 1.0 торжеством человеческого разума, такая игра в Бога не могла удовлетворить Вентера и его друзей: Бог-то явно понимал, как функционирует созданная Им жизнь, а Вентер не понимал вообще. И вот тут, чтобы хоть как-то подтянуться к статусу демиурга, исследователи из института Вентера встали на магистральную трассу синтетической биологии: решили сделать минимальный геном. Другими словами, они вздумали рассортировать микоплазмины гены на те, что нужны позарез, и те, что не слишком нужны. Вторые выбросить, первые оставить. Это будет свидетельствовать хоть о каком-то уровне понимания, что в жизни главное, а что второстепенное.
О том, что такое минимальный геном, прекрасно рассказал участник проекта «Сноб» Михаил Гельфанд. Если кратко, то у всех у нас есть ненужные гены. Например, ген, определяющий умение сворачивать язык в трубочку: у меня он есть, а у Ричарда Докинза нету, и все равно я ничем не лучше Докинза, а то, может, и похуже. А у микробов есть гены, позволяющие им использовать в пищу всякие странные соединения, вроде лактозы или ацетата. Если у них есть другая еда, они эти гены даже не включают, так что — при условии обильной и разнообразной кормежки — можно их вовсе выбросить.
Команда Вентера во главе с Клайдом Хатчинсоном занялась выбрасыванием из своего SYN 1.0 ненужных генов. И показательно провалилась. Ни один из оптимизированных человеческим разумом организмов не оказался жизнеспособным. То есть просто вот так повертеть ген в руках, подумать: «К чему бы он был нужен?» и принять решение — не получилось. Ввиду недостатка информации. Или, может, ревнивый Бог не смог такое стерпеть.
И тогда исследователи пошли другим путем — путем смирения. Ну и пусть мы ни черта не понимаем, сказали они себе. Пойдем путем обезьян, колотящих по клавишам пишущей машинки в надежде выстучать сонет Шекспира. Будем выбивать гены случайным образом, смотреть, жизнеспособен ли микроб, и если да — переходить к следующему этапу (там все было чуть-чуть сложнее, изящнее и экономнее, но принцип такой).
Первый раз открыли шампанское, когда получился SYN 2.0. Этот ничем не примечательный микроб, потомок M. mycoides, содержал всего 525 генов — столько же, сколько у M. genitalia, то есть минимальное для известных природных микробов число. При этом он рос так же быстро и весело, как mycoides, а не как полумертвый genitalia.
Ну а потом — финал. Организм SYN 3.0, 473 гена. Меньше, чем у любого клеточного организма на земле*. Самый маленький геном. В который по-прежнему вписаны имена создателей и пресловутая цитата Фейнмана.
Так вот, еще раз о цитате. Все гены этой новой твари оказались позарез нужными, больше ничего выбросить не удается — бактерия тут же мрет. Однако из 473 ее генов почти треть — непонятно про что. То есть никто не знает, зачем они нужны и отчего они так позарез необходимы. Это при том, что похожие гены есть и у самой изученной бактерии в мире, кишечной палочки, и даже у человека существует что-то в этом роде. Воссоздали — но ни черта не поняли.
Кажется, Бог раскатисто, с уханьем смеется над игравшими в него биологами: вот базовая, примитивнейшая форма жизни, и вы по-прежнему не понимаете смысла каждого третьего гена, необходимого для ее выживания. Ради такого конфуза стоило позволить зазнайкам завершить свой амбициозный эксперимент, не поражая их молнией.
Но теперь, по крайней мере, стало понятно, чего именно (и сколького!) биологи не понимали. И потому этот эксперимент Вентера не бессмысленный, хоть и отрезвляющий. Разобраться в функции 149 генов — задачка масштабная, но реалистичная. И, в отличие от предыдущих вентеровских проектов, в ней куда больше от любознательности, чем от пустых амбиций.
Впрочем, с точки зрения идеологии богоборчества результат тоже вполне эффектный: хоть и не «искусственная жизнь», но уж точно новый вид бактерий, ранее неизвестный в природе. А выглядит он вот так.
Фото: J. Craig Venter Institute
Вентер вешает инвесторам лапшу в том смысле, что, мол, его синтетический организм будет страшно полезен для биотехнологии, чтобы добавлять в его минимальный геном новые полезные свойства. Не знаю, что думают инвесторы, но я бы не купился. Я бы понимающе кивал, а потом, будь у меня деньги, все-таки дал их Вентеру. Потому что польза пользой, а амбициозное соперничество с Богом — тоже важный аспект нашей цивилизации.
На этом мы и закончим несколько затянувшийся рассказ об искусственном организме Крейга Вентера. Хотите — прочтите об этом в Science или Nature. Заодно узнаете, насколько автор этой заметки проврался в деталях. Мы ведь тут в «Снобе» тоже многого не знаем, как и наука в целом.
* Примечание. Для ориентира: у человека, по нынешним оценкам, 28 000 генов. В том числе совершенно ненужные гены способности сворачивать в трубочку язык и чувствовать вкус фенилтиомочевины. И при этом полная неспособность синтезировать витамины А, В, С, Е, восемь незаменимых аминокислот и далее по списку, — а вот у микоплазмы-то как раз с этим все не так уж плохо. У дрожжей около 6000 генов, у бактерии кишечной палочки — 4000.
10 возможных форм жизни
В поисках внеземного разума ученые часто получают обвинения в «углеродном шовинизме», поскольку ожидают, что другие жизнеформы во Вселенной будут состоять из тех же биохимических строительных блоков, что и мы, соответствующим образом выстраивая свои поиски. Но жизнь вполне может быть другой — и люди об этом задумываются — поэтому давайте изучим десять возможных биологических и небиологических систем, которые расширяют определение «жизни».
Метаногены
Жизнь на основе кремния
Кремний остается популярным именно потому, что очень похож на углерод и может образовывать четыре связи, подобно углероду, что открывает возможность создания биохимической системы полностью зависимой от кремния. Это самый распространенный элемент в земной коре, если не считать кислород. На Земле есть водоросли, которые включают кремний в свой процесс роста. Кремний играет вторую после углерода роль, поскольку тот может образовывать более стабильные и разнообразные комплексные структуры, необходимые для жизни. Углеродные молекулы включают кислород и азот, которые образуют невероятно крепкие связи. Сложные молекулы на основе кремния, к сожалению, имеют тенденцию распадаться. Кроме того, углерод чрезвычайно распространен во Вселенной и существует миллиарды лет.
Едва ли жизнь на основе кремния появится в окружении, подобном земному, поскольку большая часть свободного кремния будет заперта в вулканических и магматических породах из силикатных материалов. Предполагают, что в высокотемпературном окружении все может быть по-другому, но никаких доказательств пока не нашли. Экстремальный мир вроде Титана мог бы поддерживать жизнь на основе кремния, возможно, вкупе с метаногенами, так как молекулы кремния вроде силанов и полисиланов могут имитировать органическую химию Земли. Тем не менее на поверхности Титана преобладает углерод, тогда как большая часть кремния находится глубоко под поверхностью.
Астрохимик NASA Макс Бернштейн предположил, что жизнь на основе кремния могла бы существовать на очень горячей планете, с атмосферой богатой водородом и бедной кислородом, позволяя случиться комплексной силановой химии с обратными кремниевыми связями с селеном или теллуром, но такое, по мнению Бернштейна, маловероятно. На Земле такие организмы размножались бы очень медленно, а наши биохимии никак бы не мешали друг другу. Они, впрочем, могли бы медленно поедать наши города, но «к ним можно было бы применить отбойный молоток».
Другие биохимические варианты
Другая возможная форма жизни, которая привлекла определенное внимание, это жизнь на основе мышьяка. Вся жизнь на Земле состоит из углерода, водорода, кислорода, фосфора и серы, но в 2010 году NASA объявило, что нашло бактерию GFAJ-1, которая могла включать мышьяк вместо фосфора в клеточную структуру без всяких последствий для себя. GFAJ-1 живет в богатых мышьяков водах озера Моно в Калифорнии. Мышьяк ядовит для любого живого существа на планете, кроме нескольких микроорганизмов, которые нормально его переносят или дышат им. GFAJ-1 стала первым случаем включения организмом этого элемента в качестве биологического строительного блока. Независимые эксперты немного разбавили это заявление, когда не нашли никаких свидетельств включения мышьяка в ДНК или хотя бы каких-нибудь арсенатов. Тем не менее разгорелся интерес к возможной биохимии на основе мышьяка.
В качестве возможной альтернативы воде для строительства форм жизни выдвигался и аммиак. Ученые предположили существование биохимии на основе азотно-водородных соединений, которые используют аммиак в качестве растворителя; он мог бы использоваться для создания протеинов, нуклеиновых кислот и полипептидов. Любые формы жизни на основе аммиака должны существовать при низких температурах, при которых аммиак принимает жидкую форму. Твердый аммиак плотнее жидкого аммиака, поэтому нет никакого способа остановить его замерзание при похолодании. Для одноклеточных организмов это не составило бы проблемы, но вызвало бы хаос для многоклеточных. Тем не менее существует возможность существования одноклеточных аммиачных организмов на холодных планетах Солнечной системы, а также на газовых гигантах вроде Юпитера.
Сера, как полагают, послужила основой для начала метаболизма на Земле, и известные организмы, в метаболизм которых включена сера вместо кислорода, существуют в экстремальных условиях на Земле. Возможно, в другом мире формы жизни на основе серы могли бы получить эволюционное преимущество. Некоторые считают, что азот и фосфор могли бы также занять место углерода при довольно специфических условиях.
Меметическая жизнь
Подобные мемы существовали до человечества, в социальных призывах птиц и усвоенном поведении приматов. Когда человечество стало способно абстрактно мыслить, мемы получили дальнейшее развитие, управляя племенными отношениями и формируя основу для первых традиций, культуры и религии. Изобретение письма еще больше подтолкнуло развитие мемов, поскольку они смогли распространяться в пространстве и времени, передавая меметичную информацию подобно тому, как гены передают биологическую. Для некоторых это чистая аналогия, но другие считают, что мемы представляют уникальную, хотя немного рудиментарную и ограниченную форму жизни.
Некоторые пошли еще дальше. Георг ван Дрим разработал теорию «симбиосизма», которая подразумевает, что языки — это сами по себе формы жизни. Старые лингвистические теории считали язык чем-то вроде паразита, но ван Дрим полагает, что мы живем в сотрудничестве с меметическими сущностями, населяющими наш мозг. Мы живем в симбиотических отношениях с языковыми организмами: без нас они не могут существовать, а без них мы ничем не отличаемся от обезьян. Он считает, что иллюзия сознания и свободной воли вылилась из взаимодействия животных инстинктов, голода и похоти человека-носителя и лингвистического симбионта, воспроизводящегося с помощью идей и смыслов.
Синтетическая жизнь на основе XNA
Жизнь на Земле основана на двух переносящих информацию молекулах, ДНК и РНК, и долгое время ученые размышляли, можно ли создать другие похожие молекулы. Хотя любой полимер может хранить информацию, РНК и ДНК отображают наследственность, кодирование и передачу генетической информации и способны адаптироваться с течением времени в процессе эволюции. ДНК и РНК — это цепи молекул-нуклеотидов, состоящих из трех химических компонентов — фосфата, пятиуглеродной сахарной группы (дезоксирибоза в ДНК или рибоза в РНК) и одного из пяти стандартных оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин или урацил).
В 2012 году группа ученых из Англии, Бельгии и Дании первой в мире разработала ксенонуклеиновую кислоту (КНК, XNA), синтетические нуклеотиды, функционально и структурно напоминающие ДНК и РНК. Они были разработаны путем замены сахарных групп дезоксирибозы и рибозы различными субститутами. Такие молекулы делали и раньше, но впервые в истории они были способны воспроизводиться и эволюционировать. В ДНК и РНК репликация происходит с помощью молекул полимеразы, которые могут читать, транскибировать и обратно транскрибировать нормальные последовательности нуклеиновых кислот. Группа разработала синтетические полимеразы, которые создали шесть новых генетических систем: HNA, CeNA, LNA, ANA, FANA и TNA.
Одна из новых генетических систем, HNA, или гекситонуклеиновая кислота, была достаточно надежной, чтобы хранить нужное количество генетической информации, которая может послужить в качестве основы для биологических систем. Другая, треозонуклеиновая кислота, или TNA, оказалась потенциальным кандидатом на таинственную первичную биохимию, царившую на рассвете жизни.
Есть масса потенциальных применений этих достижений. Дальнейшие исследования могут помочь в разработке лучших моделей появления жизни на Земле и будут иметь последствия для биологических измышлений. XNA может получить терапевтическое применение, ведь можно создать нуклеиновые кислоты для лечения и связи с конкретными молекулярными целями, которые не будут портиться так быстро, как ДНК или РНК. Они даже могут лечь в основу молекулярных машин или вообще искусственной формы жизни.
Но прежде чем это станет возможно, должны быть разработаны другие энзимы, совместимые с одной из XNA. Некоторые из них уже разработали в Великобритании в конце 2014 года. Есть также возможность, что XNA может причинять вред РНК/ДНК-организмам, поэтому безопасность должна быть на первом месте.
Хромодинамическая жизнь могла бы быть основана на сильном ядерном взаимодействии, которое считается сильнейшим из фундаментальных сил, но только на чрезвычайно коротких расстояниях. Фрейтас предположил, что такая среда может быть возможна на нейтронной звезде, тяжелом вращающемся объекте 10-20 километров в диаметре с массой звезды. С невероятной плотностью, мощнейшим магнитным полем и гравитацией в 100 миллиардов раз сильнее, чем на Земле, у такой звезды было бы ядро с 3-километровой коркой кристаллического железа. Под ней было бы море с невероятно горячими нейтронами, различными ядерными частицами, протонами и ядрами атомов и возможные богатые нейтронами «макроядра». Эти макроядра в теории могли бы сформировать крупные сверхъядра, аналогичные органическим молекулам, нейтроны выступали бы эквивалентом воды в причудливой псевдобиологической системе.
Гравитационные существа тоже могут существовать, поскольку гравитация является самой распространенной и эффективной фундаментальной силой во Вселенной. Такие существа могли бы получать энергию из самой гравитации, получая неограниченное питание из столкновений черных дыр, галактик, других небесных объектов; существа поменьше — из вращения планет; самые маленькие — из энергии водопадов, ветра, приливов и океанических течений, возможно, землетрясений.
Формы жизни из пыли и плазмы
Группа Цытовича обнаружила, что когда электронные заряды отделяются и плазма поляризуется, частицы в плазме самоорганизуются в форму спиральных структур вроде штопора, электрически заряженных, и притягиваются друг к другу. Они также могут делиться, образуя копии оригинальных структур, подобно ДНК, и индуцировать заряды в своих соседях. По мнению Цытовича, «эти сложные, самоорганизующиеся плазменные структуры отвечают всем необходимым требованиям, чтобы считать их кандидатами в неорганическую живую материю. Они автономны, они воспроизводятся и они эволюционируют».
Некоторые скептики считают, что такие заявления являются больше попыткой привлечь внимание, нежели серьезными научными заявлениями. Хотя спиральные структуры в плазме могут напоминать ДНК, сходство в форме необязательно предполагает сходство в функциях. Более того, тот факт, что спирали воспроизводятся, не означает потенциал жизни; облака тоже так делают. Что еще больше удручает, большая часть исследований была проведена на компьютерных моделях.
Один из участников эксперимента также собщил, что хотя результаты действительно напоминали жизнь, в конце концов, они были «просто особой формой плазменного кристалла». И все же, если неорганические частицы в плазме могут перерасти в самовоспроизводящиеся, развивающиеся формы жизни, они могут быть наиболее распространенной формой жизни во Вселенной, благодаря вездесущей плазме и межзвездным облакам пыли по всему космосу.
Неорганические химические клетки
Группа Кронина начала с создания солей из отрицательно заряженных ионов крупных оксидов металла, связанных с небольшим положительно заряженным ионом вроде водорода или натрия. Раствор из этих солей затем впрыскивается в другой солевой раствор, полный больших положительно заряженных органических ионов, связанных с небольшими отрицательно заряженными. Две соли встречаются и обмениваются частями, так что крупные оксиды металла становятся партнерами с крупными органическими ионами, образуя что-то вроде пузыря, который непроницаем для воды. Изменяя костяк оксида металла, можно добиться того, что пузыри приобретут свойства биологических клеточных мембран, которые выборочно пропускают и выпускают химические вещества из клетки, что потенциально может позволить протеканию того же типа контролируемых химических реакций, который происходит в живых клетках.
Группа ученых также сделала пузыри в пузырях, имитируя внутренние структуры биологических клеток, и добилась прогресса в создании искусственной формы фотосинтеза, которая потенциально может быть использована для создания искусственных клеток растений. Другие синтетические биологи отмечают, что такие клетки могут никогда не стать живыми, пока не получат систему репликации и эволюции вроде ДНК. Кронин не теряет надежду на то, что дальнейшее развитие принесет свои плоды. Среди возможных применений этой технологии есть также разработка материалов для солнечных топливных устройств и, конечно, медицина.
По словам Кронина, «основная цель — это создать комплексные химические клетки с живыми свойствами, которые могут помочь нам понять развитие жизни и пойти этим же путем, чтобы привнести новые технологии на основе эволюции в материальный мир — своего рода неорганические живые технологии».
Зонды фон Неймана
Другие футурологи вроде Фримена Дайсона и Эрика Дрекслера довольно быстро применили эти идеи к области космических исследований и создали зонд фон Неймана. Отправка самовоспроизводящегося робота в космос может быть самым эффективным способом колонизации галактики, ведь так можно захватить весь Млечный Путь меньше чем за один миллион лет, даже будучи ограниченными скоростью света.
Как объяснил Мичио Каку:
«Зонд фон Неймана — это робот, предназначенный для достижения далеких звездных систем и создания фабрик, которые будут строить копии самих себя тысячами. Мертвая луна, даже не планета, может стать идеальным пунктом назначения для зондов фон Неймана, поскольку там будет проще садиться и взлетать с этих лун, а также потому что на лунах нет эрозии. Зонды могли бы жить за счет земли, добывая железо, никель и другое сырье для строительства роботизированных фабрик. Они бы создали тысячи копий самих себя, которые затем разошлись бы в поисках других звездных систем».
За долгие годы были придуманы различные версии базовой идеи зонда фон Неймана, включая зонды освоения и разведки для тихого исследования и наблюдения внеземных цивилизаций; зондов связи, разбросанных по всему космосу, чтобы лучше улавливать радиосигналы инопланетян; рабочие зонды для строительства сверхмассивных космических структур; зонды-колонизаторы, которые будут покорять другие миры. Могут быть даже путеводные зонды, которые будут выводить юные цивилизации в космос. Увы, могут быть и зонды-берсеркеры, задачей которых будет уничтожение следов любой органики в космосе, за чем последует строительство полицейских зондов, которые будут эти атаки отражать. Учитывая то, что зонды фон Неймана могут стать своего рода космическим вирусом, нам стоит осторожно подходить к их разработке.
Гипотеза Геи
