Неужели мы на 10 лет от искусственной жизни?

[Carder]

Согласно статье Associated Press, опубликованной в 2007 году, искусственная жизнь может существовать уже через 10 лет. Узнайте об искусственной жизни.

В конце августа 2007 года в статье Associated Press было высказано утверждение, что до создания искусственной жизни осталось не более 10 лет, а возможно, всего три. Возможно ли такое? Ученые добились огромных успехов в расшифровке геномов человека и животных, синтезе ДНК и клонировании. Создание искусственных, функционирующих биологических организмов, кажется, представляет собой огромный скачок за пределы любой из этих способностей. Но некоторые компании и исследователи, вовлеченные в поиски искусственной жизни, считают, что 10-летний срок возможен. Мало того - они говорят, что развитие влажной искусственной жизни (как ее часто называют) радикально повлияет на наши представления о биологической жизни и нашем месте во Вселенной.

Заявления о грядущем изобретении искусственной жизни могут быть немного смелыми. Среди скептиков есть Фрэнсис Коллинз, глава Проекта генома человека, который считает, что 10-летний срок слишком амбициозен. Даже в этом случае перспектива искусственной жизни очень привлекательна, и мы рассмотрим ее в этой статье.

Влажная искусственная жизнь - это не модифицированный или генно-инженерный организм. Это жизнь, целиком созданная из основных частей. Но, как мы видели в нашей статье о странной жизни, у ученых нет строгого стандартизированного определения того, что такое жизнь. Тем не менее, у биологов есть некоторые основные идеи о том, какими качествами должна обладать искусственная жизнь, чтобы считаться живой.

Во-первых, искусственная жизнь должна иметь ДНК или генетический код. Он также должен иметь возможность воспроизводить и передавать свой генетический код. Затем жизненной форме нужно где-то разместить свой генетический код, защитную оболочку или мембрану, подобную клеточной стенке, которая удерживает ДНК и другие части вместе. Клеточная стенка также должна обеспечивать нормальные биологические процессы. Другими словами, он должен быть достаточно проницаемым для всасывания питательных веществ и относительно непроницаемым для патогенов. Когда его основные части собраны вместе, организм должен быть самодостаточным: он должен есть и усваивать пищу. Наконец, жизненная форма нуждается в способности восстанавливать себя, приспосабливаться и развиваться.

Развитие некоторых из этих характеристик ставит перед исследователями множество проблем. Но один ученый из Гарварда предсказал (в той же статье AP), что к началу 2007 года будут достигнуты большие успехи в создании клеточных мембран. Поддержание искусственного организма в живых более чем на несколько минут или нескольких часов также является проблемой, хотя ученые могут сосредоточиться на укреплении организмов после того, как некоторые из начальных препятствий будут преодолены.

Для создания ДНК некоторые ученые рекомендуют размещать нуклеотиды (строительные блоки ДНК) внутри оболочки клетки. Нуклеотиды можно каким-то образом объединить в ДНК. Это само по себе может создать проблему, поскольку для сборки нуклеотидов могут потребоваться ферменты, что может нарушить правило «основных частей» для создания искусственной жизни.

Дальше мы рассмотрим другие проблемы, стоящие между учеными и искусственной жизнью. Мы также рассмотрим этот вопрос: выйдут ли искусственные формы жизни из-под контроля?

Проблемы искусственной жизни​

Научно-фантастические книги и фильмы наполнены примерами вышедших из-под контроля машин, вирусов, искусственных организмов и искусственного интеллекта. Некоторые люди говорят, что эти выдумки представляют собой наихудший из возможных исходов «игры в Бога». Некоторые ученые заверяют, что к тому времени, когда искусственные организмы будут созданы, будет создано больше механизмов для их контроля.

Также важно помнить, что широкий спектр разнообразных и сложных организмов на Земле представляет собой продукт почти четырех миллиардов лет эволюции. Даже если 20-летний срок верен, ученые в 2027 году не будут работать с искусственно созданными токсичными растениями, хищными животными или неудержимыми вирусами. Ранние синтетические формы жизни будут довольно простыми организмами, состоящими из нескольких клеток или меньше. Фактически, большая опасность заключается в злоупотреблении методами генной инженерии для модификации существующих вирусов, чтобы сделать их очень заразными или вирулентными.

Тем, кто говорит, что ученые не имеют права «играть в Бога», защитники часто говорят, что создание искусственной жизни является естественным продолжением стремления человечества к прогрессу и открытиям. Исследования искусственной жизни могут дать представление о некоторых фундаментальных процессах биологии, хотя, опять же, безумные изображения искусственных созданий в научной фантастике, вероятно, не помогли в пользу искусственной жизни.

Поскольку есть некоторые споры о том, что определяет как жизнь, так и искусственную жизнь, мы можем увидеть несколько преждевременных заявлений биологов об успехе. Что можно считать успехом? Должен ли он быть функциональным, сложным, самовоспроизводящимся организмом, или будет достаточно простого кусочка искусственно созданного самовоспроизводящегося генетического кода? Насколько основными должны быть ингредиенты, которые объединяются для создания организма? Фрэнсис Коллинз говорит, что ученые будут «жульничать», используя ферменты, которые сами получены из форм жизни.

Что может представлять собой важный первый шаг, некоторые ученые уже создали искусственные вирусы, но они сделали это путем синтетического воспроизведения ДНК известных вирусов. Затем они ввели эту ДНК в клетки, которые не были созданы синтетически.

Как (и как долго) он будет жить после создания искусственного организма? Коллинз считает, что искусственная жизнь должна уметь выжить в базовой среде, возможно, в простом растворе сахара, без добавления сложных химикатов со стороны человека. Другие могут сказать, что, по крайней мере, поначалу, создание какого-либо микроба или организма, способного выжить, на короткое время квалифицируется как успех - даже если это требует большого внешнего контроля или мониторинга.

По крайней мере, некоторые из первоначальных заявлений об искусственной жизни столкнутся с серьезной проверкой. В ближайшие годы ожидайте продолжения дебатов о том, что определяет жизнь, как «настоящую», так и искусственную.

 

[chushpan]

Давайте погрузимся в эту тему глубоко и всесторонне. Вопрос о создании искусственной жизни — это не просто научно-техническая задача, это философский вызов, находящийся на стыке биологии, химии, информатики и этики.

Чтобы раскрыть тему полностью, мы рассмотрим следующие аспекты:

1. Что такое искусственная жизнь? Определимся с понятиями.
2. Подходы к созданию: Три основных пути, которые развиваются сегодня.
3. Ключевые прорывы и текущее состояние: Что уже сделано?
4. Фундаментальные проблемы и препятствия: Что мешает нам сделать это завтра?
5. Реалистичный прогноз на 10 лет: Что мы увидим к 2035 году?
6. Философские и этические последствия: Что это будет означать для человечества?

1. Что такое искусственная жизнь? Определение понятия​

Понятие "искусственная жизнь" расплывчато. Мы можем говорить о ней в разных контекстах:

• Биологическая жизнь (как на Земле): Система, обладающая несколькими ключевыми свойствами:
  • Самоподдержание (гомеостаз): Регуляция внутренней среды.
  • Метаболизм: Преобразование энергии и веществ.
  • Рост: Увеличение в размерах или сложности.
  • Воспроизведение (репликация): Способность создавать подобные себе системы.
  • Наследственность и изменчивость: Наличие генетической программы, которая мутирует и отбирается.
  • Адаптация и эволюция: Способность меняться в ответ на изменения среды.
• Синтетическая жизнь: Живой организм, созданный человеком, чей геном и, возможно, другие компоненты были синтезированы искусственно, а не заимствованы напрямую у существующего организма.
• Искусственная жизнь в силиконе (in silico): Цифровые организмы или программы, которые демонстрируют некоторые свойства жизни (репликация, эволюция, обучение) внутри виртуальной среды.
• Альтернативная биохимия: Жизнь, основанная не на ДНК/РНК и белках, а на других молекулах (например, XNA вместо ДНК), или использующая другие растворители вместо воды.

Когда вы задаете свой вопрос, вы, скорее всего, имеете в виду первую категорию — биологическую искусственную жизнь. Именно на ней мы и сосредоточимся.

2. Три основных подхода к созданию искусственной жизни​

Ученые атакуют проблему с трех разных сторон.

Подход 1: «Сверху вниз» (Минимальный геном)​

Суть: Берем существующий, уже живой простой организм (например, бактерию) и начинаем его «упрощать». Мы удаляем из его генома все лишние гены, оставляя только минимальный набор, абсолютно необходимый для независимой жизни в идеальных условиях.

• Аналогия: Представьте, что у вас есть старый, но работающий автомобиль. Вы начинаете снимать с него все детали, которые не критичны для движения: двери, стекла, радио, кондиционер. Ваша цель — оставить голую раму, двигатель, колеса и руль. Это и будет «минимальный автомобиль».
• Зачем это нужно? Создание минимального организма — это способ понять, какие гены являются фундаментальными для жизни. Это также дает нам простое «шасси», которое в будущем можно будет «начинять» новыми, искусственными функциями.

Подход 2: «Снизу вверх» (Синтетическая клетка)​

Суть: Это самый амбициозный и «чистый» подход. Мы пытаемся собрать живую клетку с нуля, из неживых химических компонентов: создать искусственную мембрану, синтезировать ДНК/РНК, белки и собрать всё это в работающую, самовоспроизводящуюся систему.

• Аналогия: Вместо того чтобы разбирать машину, вы покупаете на заводе отдельно сталь, алюминий, пластик, резину, электронные чипы и пытаетесь с нуля спроектировать и собрать совершенно новый автомобиль.
• Зачем это нужно? Это позволит нам не просто перепроектировать жизнь, а создать совершенно новую, с принципиально иными свойствами, не ограниченную земной биохимией.

Подход 3: «Сбоку» (Ксенобиология)​

Суть: Мы не упрощаем существующую жизнь и не собираем ее с нуля, а радикально меняем ее «прошивку». С помощью инструментов генной инженерии (вроде CRISPR) мы создаем организмы с расширенным генетическим кодом.

• Пример: Вся жизнь на Земле использует для построения белков 20 стандартных аминокислот. Ученые уже создали бактерии, которые используют 21, 22 и даже 23-ю искусственную аминокислоту. Это делает их генетический код несовместимым с кодом природных организмов.
• Зачем это нужно? Это создает биологический «файрвол». Такие организмы не смогут обмениваться генами с дикой природой, что критически важно для безопасности. Кроме того, это открывает путь к созданию принципиально новых белков и материалов.

3. Ключевые прорывы и текущее состояние дел​

На этом фронте уже есть громкие победы.

• 2010 год — «Синтия» (J. Craig Venter Institute): Команда Крейга Вентера синтезировала искусственную версию генома бактерии Mycoplasma mycoides, затем пересадила его в клетку другого вида микоплазмы, у которой был удален ее собственный геном. Клетка «проснулась» и начала функционировать и размножаться под контролем синтетического генома. Это был не полностью синтетический организм, но его геном — да.
• 2016 год — «Минимальный геном» (J. Craig Venter Institute): Та же команда, используя подход «сверху вниз», создала организм JCVI-syn3.0. Его геном содержал всего 473 гена (для сравнения, у кишечной палочки их около 4000). Это самый простой из известных самовоспроизводящихся организмов. Примечательно, что функция 1/3 этих генов до сих пор неизвестна — это показывает, как много нам еще предстоит узнать о базовых принципах жизни.
• 2018 год — «Сборка протоклеток» (разные группы): Ученые активно работают над созданием протоклеток — простейших пузырьков (липосом), внутри которых могут протекать биохимические реакции. Уже созданы системы, где искусственная мембрана может расти и делиться, а внутри нее работает синтез РНК или простых белков. Но объединить стабильную мембрану, метаболизм и репликацию генома в одной системе пока не удалось.
• CRISPR-Cas9 (2012-н.в.): Эта технология не создает жизнь напрямую, но она дала нам невероятно точный инструмент для редактирования «прошивки» жизни, что является основой для подхода «сбоку».

4. Фундаментальные проблемы и препятствия​

Почему же мы до сих пор не создали полноценную искусственную клетку? Проблемы носят фундаментальный характер.

1. Проблема самовоспроизведения (репликации): Чтобы клетка могла делиться, ей нужно не просто скопировать ДНК. Она должна синхронно удвоить все свои компоненты: мембраны, рибосомы, белки, органеллы. Как заставить искусственную систему делать это координированно и точно — огромная загадка.
2. Проблема метаболизма и получения энергии (гетеротрофность): Подавляющее большинство синтетических систем, созданных в lab, являются «гетеротрофами». Им нужно подавать готовые «кирпичики» (нуклеотиды, аминокислоты) извне. Настоящая независимая жизнь должна сама синтезировать эти кирпичики из простых веществ (как это делают растения), то есть иметь сложный, автономный метаболизм. Создать его с нуля — невероятно сложно.
3. Проблема компартментализации (мембраны): Клеточная мембрана — это не просто мешок. Это сложная, динамичная структура с насосами, каналами и рецепторами, которая активно регулирует, что входит в клетку и выходит из нее. Создать такую сложную мембрану искусственно — отдельная грандиозная задача.
4. Проблема эмерджентности: Жизнь — это эмерджентное свойство. Она возникает из взаимодействия тысяч молекул. Мы можем собрать все нужные детали, но «искра» жизни может так и не возникнуть. Мы не до конца понимаем, как именно неживая материя переходит в состояние живого.

5. Реалистичный прогноз на 10 лет (к 2035 году)​

Учитывая все вышесказанное, вот сценарий, который выглядит наиболее реалистично на ближайшее десятилетие:

• Мы НЕ увидим сенсационных заголовков: «Ученые создали первую искусственную жизнь в пробирке!» в том смысле, что в лаборатории возникла полностью автономная, самовоспроизводящаяся клетка из неживых частей.
• Что мы УВИДИМ:
  1. Расцвет "живых фабрик": Подход «сверху вниз» и «сбоку» приведет к созданию высокооптимизированных бактерий и дрожжей, которые будут производить всё: от дешевых лекарств и вакцин до биотоплива, биоразлагаемых пластиков и даже пищевых белков. Это уже происходит, но станет мейнстримом биотехнологий.
  2. Сложные протоклетки: Мы увидим протоклетки, которые смогут выполнять не одну, а несколько функций одновременно: поддерживать свой размер, генерировать энергию и реплицировать свою искусственную генетическую систему (например, на основе XNA). Они будут оставаться сильно зависимыми от ученых, но станут гораздо сложнее.
  3. Минимальные клетки с новыми функциями: На основе JCVI-syn3.0 будут созданы минимальные клетки, запрограммированные на выполнение специфических задач, например, доставку лекарств в опухоль или обнаружение токсинов в окружающей среде.
  4. Прорывы в понимании: Самые важные открытия будут не в создании, а в понимании. Мы наконец-то поймем функцию тех загадочных 149 генов в JCVI-syn3.0 и получим более полную картину того, как работает клетка как система.

Вывод по прогнозу: Через 10 лет граница между «естественным» и «искусственным» в биологии станет еще более размытой. Мы будем обладать мощнейшими инструментами для проектирования биологических систем, но полноценное создание жизни ex nihilo (из ничего) останется за горизонтом этого десятилетия.

6. Философские и этические последствия​

Создание искусственной жизни — это событие, которое изменит наше миропонимание.

• Ответ на вопрос «Что такое жизнь?»: Если мы создадим жизнь, мы перестанем гадать о ее природе и начнем понимать ее через призму инженерии. Это будет величайшим научным достижением со времен Коперника и Дарвина, смещающим место человека во Вселенной.
• Биобезопасность: Создание организмов с «файрволами» (подход ксенобиологии) критически важно. Выпуск в окружающую среду реплицирующейся искусственной жизни без таких мер предосторожности может привести к непредсказуемым экологическим последствиям.
• Ответственность создателя: Если мы создадим живую систему, какую моральную ответственность мы будем нести перед ней? Можно ли ее «выключить»? Является ли она просто инструментом или обладает неким подобием прав?
• Переопределение жизни во Вселенной: Успех в создании искусственной жизни на Земле резко повысит наши шансы найти ее в космосе. Мы поймем, что жизнь — это не уникальное чудо, а вероятное следствие химических и физических законов, которое можно воспроизвести.

Итог​

Неужели мы на 10 лет от искусственной жизни?
Нет, если под этим понимать аналог первой живой клетки, самостоятельно возникшей из неорганических компонентов в лаборатории. Слишком много фундаментальных загадок еще не разгадано.

Да, если рассматривать искусственную жизнь как спектр достижений. Мы уже находимся в эпохе синтетической жизни. Мы создаем, перепроектируем и управляем биологическими системами с беспрецедентной точностью. Через 10 лет эта мощь возрастет на порядки, и мы получим в свои руки не просто инструменты для изучения жизни, а инструменты для ее написания. Это будет тихая, но глубокая революция, последствия которой отразятся на медицине, экологии, экономике и самой нашей философии.