Това, което ще се опитам да направя в следващите 15 минути, е да ви разкажа за една идея за това как да дадем живот на материята. Така казано, това може да изглежда доста амбициозно, но когато се вгледате в себе си, когато погледнете ръцете си, вие осъзнавате, че сте живи. Така че това е едно начало. Това дирене е започнало преди четири милиарда години на планетата Земя. Имало е четири милиарда години органичен, биологичен живот. И като неорганичен химик, моите приятели и колеги правят това разграничение между органичния, жив свят и неорганичния, мъртъв свят. И това, което аз ще се опитам да направя, е да засадя някои идеи за това как можем да преобразуваме неорганична, мъртва материя в жива материя, в неорганична биология.
What I'm going to try and do in the next 15 minutes or so is tell you about an idea of how we're going to make matter come alive. Now this may seem a bit ambitious, but when you look at yourself, you look at your hands, you realize that you're alive. So this is a start. Now this quest started four billion years ago on planet Earth. There's been four billion years of organic, biological life. And as an inorganic chemist, my friends and colleagues make this distinction between the organic, living world and the inorganic, dead world. And what I'm going to try and do is plant some ideas about how we can transform inorganic, dead matter into living matter, into inorganic biology.
Преди да направим това, искам един вид да поставя биологията на мястото й. И аз съм абсолютно очарован от биологията. Обожавам да правя синтетична биология. Обичам неща, които са живи. Обичам да манипулирам инфраструктурата на биологията. Но в рамките на тази инфраструктура, ние трябва да помним, че движещата сила на биологията в действителност идва от еволюцията. И еволюцията, въпреки че е установена преди над 100 години от Чарлз Дарвин и огромен брой други хора, еволюцията все още е малко неосезаема. И когато говоря за еволюцията на Дарвин, аз имам предвид едно единствено нещо, и това е оцеляването на най-силният. Така че забравете за еволюцията като някакъв метафизичен начин. Мислете за еволюцията от гледна точка на състезаващи се поколения, някои от които побеждават.
Before we do that, I want to kind of put biology in its place. And I'm absolutely enthralled by biology. I love to do synthetic biology. I love things that are alive. I love manipulating the infrastructure of biology. But within that infrastructure, we have to remember that the driving force of biology is really coming from evolution. And evolution, although it was established well over 100 years ago by Charles Darwin and a vast number of other people, evolution still is a little bit intangible. And when I talk about Darwinian evolution, I mean one thing and one thing only, and that is survival of the fittest. And so forget about evolution in a kind of metaphysical way. Think about evolution in terms of offspring competing, and some winning.
И така, имайки предвид това, като химик, аз исках да си задам въпроса, докато бях разочарован от биологията: Каква е минималната единица материя, която може да бъде подложена на дарвиновата еволюция? И това изглежда доста задълбочен въпрос. И като химици, ние не сме свикнали на задълбочени въпроси всеки ден. Така че, когато се замислих за това, после изведнъж осъзнах, че биологията ни е дала отговора. И всъщност, най-малката единица на материята, която може да се развива независимо е, в действителност, една единствена клетка -- една бактерия.
So bearing that in mind, as a chemist, I wanted to ask myself the question frustrated by biology: What is the minimal unit of matter that can undergo Darwinian evolution? And this seems quite a profound question. And as a chemist, we're not used to profound questions every day. So when I thought about it, then suddenly I realized that biology gave us the answer. And in fact, the smallest unit of matter that can evolve independently is, in fact, a single cell -- a bacteria.
Така че това повдига три много важни въпроси: Какво е животът? Биологията специална ли е? Биолозите изглежда мислят така. Материята може ли да еволюира? Сега, ако отговорим на тези въпроси в обратен ред, третия въпрос -- материята дали еволюира? -- ако можем да отговорим на това, тогава ние ще знаем колко специална е биологията, и може би, просто може би, ще имаме някаква представа за това какво наистина е животът.
So this raises three really important questions: What is life? Is biology special? Biologists seem to think so. Is matter evolvable? Now if we answer those questions in reverse order, the third question -- is matter evolvable? -- if we can answer that, then we're going to know how special biology is, and maybe, just maybe, we'll have some idea of what life really is.
Ето това е неорганичен живот. Това е мъртъв кристал, и аз ще му направя нещо, и той ще оживее. И както може да се уверите, той един вид се опрашва, покарва, расте. Това е неорганична тръба. И всички тези кристали тук под микроскопа бяха мъртви преди няколко минути, и сега те изглеждат живи. Разбира се, те не са живи. В химичен експеримент направих кристална градина. Но когато видях това, бях наистина поразен, защото приличаше на живо. Като спра за няколко секунди, погледнете екрана. Можете да видите растяща архитектура, запълваща празното пространство. И това е мъртво. И аз бях уверен, че ако някак си можем да накараме нещата да имитират живота, нека да направим още една крачка напред. Нека видим дали в действителност можем да създадем живот.
So here's some inorganic life. This is a dead crystal, and I'm going to do something to it, and it's going to become alive. And you can see, it's kind of pollinating, germinating, growing. This is an inorganic tube. And all these crystals here under the microscope were dead a few minutes ago, and they look alive. Of course, they're not alive. It's a chemistry experiment where I've made a crystal garden. But when I saw this, I was really fascinated, because it seemed lifelike. And as I pause for a few seconds, have a look at the screen. You can see there's architecture growing, filling the void. And this is dead. So I was positive that, if somehow we can make things mimic life, let's go one step further. Let's see if we can actually make life.
Но има проблем, защото досега, може би допреди едно десетилетие, ни се казваше, че животът е невъзможен, и че ние сме най-невероятното чудо във Вселената. Всъщност ние бяхме единствените хора във Вселената. Сега, това е малко скучно. Затова, като химик, аз исках да кажа: "Почакайте. Какво става тук? Животът толкова ли е невероятен?" И това наистина е въпросът. Мисля, че може би появата на първите клетки е била също толкова възможна, колкото появата на звездите. И всъщност нека отидем една стъпка по-напред. Нека кажем, че ако термоядрената физика е закодирана във Вселената, може би също е и физиката на живота. И тогава проблемът на химиците -- и това е и огромно предимство -- е, че ние обичаме да се фокусираме върху нашите съставни части. В биологията, въглеродът заема централно място. И във вселена, в която въглеродът съществува и органичната биология, тогава ние имаме това невероятно разнообразие на живот. Всъщност, ние имам толкова удивителни форми на живот, които да манипулираме. Ние сме ужасно внимателни в лабораторията, опитвайки се да избегнем различни биологични опасности.
But there's a problem, because up until maybe a decade ago, we were told that life was impossible and that we were the most incredible miracle in the universe. In fact, we were the only people in the universe. Now, that's a bit boring. So as a chemist, I wanted to say, "Hang on. What is going on here? Is life that improbable?" And this is really the question. I think that perhaps the emergence of the first cells was as probable as the emergence of the stars. And in fact, let's take that one step further. Let's say that if the physics of fusion is encoded into the universe, maybe the physics of life is as well. And so the problem with chemists -- and this is a massive advantage as well -- is we like to focus on our elements. In biology, carbon takes center stage. And in a universe where carbon exists and organic biology, then we have all this wonderful diversity of life. In fact, we have such amazing lifeforms that we can manipulate. We're awfully careful in the lab to try and avoid various biohazards.
А какво се случва с материята? Ако можем да вдъхнем живот на материята, бихме ли имали материални опасности? Помислете, това е сериозен въпрос. Ако химикалката ви можеше да се репликира, това би бил известен проблем. Значи трябва да мислим различно, ако ще правим разни неща живи. И също така трябва да сме наясно с последиците. Но преди да правим живот, нека помислим за секунда с какво наистина се характеризира животът. Простете за сложната диаграма. Това е просто набор от пътища в клетката. И очевидно за нас клетката е нещо очарователно. Синтетичните биолози я манипулират. Химиците се опитват да изучават молекулите, за да гледат за болести. И вие имате всички тези пътища, извиващи се едновременно. Имате регулация, информация бива преписвана, създават се катализатори, стават разни неща. Но какво прави една клетка? Ами дели се, съревновава се, оцелява. И аз мисля, че тук е мястото, където трябва да започнем по отношение на мислене за това да строим според нашите идеи в живота.
Well what about matter? If we can make matter alive, would we have a matterhazard? So think, this is a serious question. If your pen could replicate, that would be a bit of a problem. So we have to think differently if we're going to make stuff come alive. And we also have to be aware of the issues. But before we can make life, let's think for a second what life really is characterized by. And forgive the complicated diagram. This is just a collection of pathways in the cell. And the cell is obviously for us a fascinating thing. Synthetic biologists are manipulating it. Chemists are trying to study the molecules to look at disease. And you have all these pathways going on at the same time. You have regulation; information is transcribed; catalysts are made; stuff is happening. But what does a cell do? Well it divides, it competes, it survives. And I think that is where we have to start in terms of thinking about building from our ideas in life.
Но с какво друго се характеризира животът? Е, харесва ми да мисля за него като пламък в бутилка. И така това, което имаме тук, е описание на единични клетки, репликиращи се, метаболизиращи, изгаряни чрез химикали. И ние трябва да разберем, че ако ще правим изкуствен живот или разберем произхода на живота, ние трябва да го снабдим с енергия по някакъв начин. Така че, преди да можем наистина да започнем да създаваме живот, трябва да се замислим дълбоко той от къде е дошъл. Самият Дарвин размишлява в писмо до колега, че мисли, че вероятно животът е възникнал някъде в някое малко топло езеро -- може би не в Шотландия, може би в Африка, може би някъде другаде. Но истинският честен отговор е -- ние просто не знаем, защото има проблем с произхода. Представете си как преди четири и половина милиарда години има една огромна супа от химически съставки. И от тези съставки сме произлезли ние.
But what else is life characterized by? Well, I like think of it as a flame in a bottle. And so what we have here is a description of single cells replicating, metabolizing, burning through chemistries. And so we have to understand that if we're going to make artificial life or understand the origin of life, we need to power it somehow. So before we can really start to make life, we have to really think about where it came from. And Darwin himself mused in a letter to a colleague that he thought that life probably emerged in some warm little pond somewhere -- maybe not in Scotland, maybe in Africa, maybe somewhere else. But the real honest answer is, we just don't know, because there is a problem with the origin. Imagine way back, four and a half billion years ago, there is a vast chemical soup of stuff. And from this stuff we came.
Така че, когато мислите за невероятното естество на това, което ще ви кажа в следващите няколко минути, просто си спомнете, че ние сме произлезли от съставки на планетата Земя. И сме минали през различни светове. РНК хората обичат да говорят за РНК свят. Ние някак си достигнахме до протеини и ДНК. Ние тогава стигнахме до последния прародител. Еволюцията влиза в действие -- и това е готината част. И ето ни тук. Но има една пречка, през която не можем да минем. Можем да декодираме генома, можем да погледнем назад, можем да се свържем всички чрез митохондриална ДНК, но не можем да отидем по-далеч от последния прародител, последната видима клетка, която можем да проследим в историята. Така че не знаем как сме дошли тук.
So when you think about the improbable nature of what I'm going to tell you in the next few minutes, just remember, we came from stuff on planet Earth. And we went through a variety of worlds. The RNA people would talk about the RNA world. We somehow got to proteins and DNA. We then got to the last ancestor. Evolution kicked in -- and that's the cool bit. And here we are. But there's a roadblock that you can't get past. You can decode the genome, you can look back, you can link us all together by a mitochondrial DNA, but we can't get further than the last ancestor, the last visible cell that we could sequence or think back in history. So we don't know how we got here.
И така имаме две възможности: интелигентен дизай, директен и индиректен -- значи Господ, или моят приятел. Сега, да говорим, че И.Т. ни е поставил тук, или някаква друга форма на живот, просто избутва проблема по-нататък. Аз не съм политик, аз съм учен. Другото нещо, за което трябва да мислим, е появата на химическа сложност. Това изглежда най-вероятно. Така че ние имаме някаква първична супа. И тя се случва да бъде добър източник на всички 20 аминокиселини. И някак си тези аминокиселини се комбинират, и животът започва. Но какво означава това, животът започва? Какво е животът? Каква е съставката на живота?
So there are two options: intelligent design, direct and indirect -- so God, or my friend. Now talking about E.T. putting us there, or some other life, just pushes the problem further on. I'm not a politician, I'm a scientist. The other thing we need to think about is the emergence of chemical complexity. This seems most likely. So we have some kind of primordial soup. And this one happens to be a good source of all 20 amino acids. And somehow these amino acids are combined, and life begins. But life begins, what does that mean? What is life? What is this stuff of life?
През петдесетте години, Милър-Урей направиха своя фантастичен Франкенщайн-химически експеримент, където направиха еквивалента в химичния свят. Те взеха основните съставки, сложиха ги в един буркан и ги възпламениха, и пуснаха през тях доста волтове. И погледнаха това, което беше в супата, и намериха аминокиселини, но нищо не излезе, нямаше клетка. И цялата област беше зациклила за известно време и беше преоткрита през 80-те, когато аналитичните и компютърните технологии изникваха.
So in the 1950s, Miller-Urey did their fantastic chemical Frankenstein experiment, where they did the equivalent in the chemical world. They took the basic ingredients, put them in a single jar and ignited them and put a lot of voltage through. And they had a look at what was in the soup, and they found amino acids, but nothing came out, there was no cell. So the whole area's been stuck for a while, and it got reignited in the '80s when analytical technologies and computer technologies were coming on.
В моята собствена лаборатория, начинът, по който се опитваме да създадем неорганичен живот, е да използваме много различни реакционни формати. И това, което се опитваме да направим, е да правим реакции -- не в една колба, ами в десетки колби, и да ги свързваме, както може да видите на тази преливаща система, всички тези тръби. Можем да го направим микрофлуидно, можем да го направим литографично, можем да го направим на 3D принтер, можем да го направим в капчици за колеги. И ключът е да имаме много комплексна химия, кипяща. Но това вероятно ще завърши с провал, затова трябва да бъдем по-фокусирани.
In my own laboratory, the way we're trying to create inorganic life is by using many different reaction formats. So what we're trying to do is do reactions -- not in one flask, but in tens of flasks, and connect them together, as you can see with this flow system, all these pipes. We can do it microfluidically, we can do it lithographically, we can do it in a 3D printer, we can do it in droplets for colleagues. And the key thing is to have lots of complex chemistry just bubbling away. But that's probably going to end in failure, so we need to be a bit more focused.
И отговорът, разбира се, лежи в мишките. Така помня това, от което имам нужда като химик. Казвам: "Ами, искам молекули." Но имам нужда и от метаболизъм, имам нужда от енергия. Имам нужда от информация и имам нужда от контейнер. Защото ако искам еволюция, имам нужда контейнерите да се съревновават. Значи ако имаш контейнер, е като да влезеш в колата си. "Това е моята кола и аз ще карам наоколо и ще показвам колата си." И предполагам, че има подобно нещо и в клетъчната биология във връзка с появата на живота. И тези неща заедно ни дават еволюция, вероятно. И начинът да се изпробва в лаборатория е да се направи минимално.
And the answer, of course, lies with mice. This is how I remember what I need as a chemist. I say, "Well I want molecules." But I need a metabolism, I need some energy. I need some information, and I need a container. Because if I want evolution, I need containers to compete. So if you have a container, it's like getting in your car. "This is my car, and I'm going to drive around and show off my car." And I imagine you have a similar thing in cellular biology with the emergence of life. So these things together give us evolution, perhaps. And the way to test it in the laboratory is to make it minimal.
И това, което ще се опитаме да направим, е да измислим неорганичен лего комплект от молекули. И сега, простете за молекулите на екрана, но това е много опростен комплект. Има може би три или четири различни вида съвременни строителни блока. И ние можем да ги съединим и буквално да направим хиляди и хиляди наистина големи нано-молекулни молекули с големината на ДНК и протеини, но без въглерод. Въглеродът е отстранен. И с този лего комплект ние имаме необходимото разнообразие за складиране на комплексна информация без ДНК. Но трябва да направим и контейнери. И само преди няколко месеца в моята лаборатория, ние успяхме да вземем точно тези молекули и да направим клетки от тях. И може да видите на екрана клетка, която се създава. И сега ще сложим в нея малко химия и ще направим малко химия в клетката. И всичко, което исках да ви покажа, е, че ние можем да поставяме молекули в мембрани, в истински клетки, и това поставя някакъв вид молекулярен дарвинизъм, молекулярно оцеляване на най-силния.
So what we're going to try and do is come up with an inorganic Lego kit of molecules. And so forgive the molecules on the screen, but these are a very simple kit. There's only maybe three or four different types of building blocks present. And we can aggregate them together and make literally thousands and thousands of really big nano-molecular molecules the same size of DNA and proteins, but there's no carbon in sight. Carbon is banned. And so with this Lego kit, we have the diversity required for complex information storage without DNA. But we need to make some containers. And just a few months ago in my lab, we were able to take these very same molecules and make cells with them. And you can see on the screen a cell being made. And we're now going to put some chemistry inside and do some chemistry in this cell. And all I wanted to show you is we can set up molecules in membranes, in real cells, and then it sets up a kind of molecular Darwinism, a molecular survival of the fittest.
И този филм тук показва това съревнование между молекулите. Молекулите се съревновават за разни работи. Те всички са направени от едно и също нещо, но те искат тяхната форма да спечели. Те искат тяхната форма да се запази. И това е ключът. Ако някак можем да насърчим тези молекули да си говорят помежду си, и да правят правилните форми, и да се съревновават, те ще започнат да формират клетки, които ще се репликират и ще се съревновават. Ако успеем да направим това, забравете молекулярния детайл.
And this movie here shows this competition between molecules. Molecules are competing for stuff. They're all made of the same stuff, but they want their shape to win. They want their shape to persist. And that is the key. If we can somehow encourage these molecules to talk to each other and make the right shapes and compete, they will start to form cells that will replicate and compete. If we manage to do that, forget the molecular detail.
Нека погледнем какво би означавало това. Значи ние имаме тази специална теория за еволюцията, която включва само органична биология, за нас. Ако можем да поместим еволюцията в материалния свят, тогава, предполагам, ще имаме обща теория на еволюцията. И наистина си струва да се мисли за това. Дали еволюцията контролира усъвършенстването на материята във Вселената? Има ли някаква сила, тласкаща към еволюция, която позволява на материята да се съревновава? Значи това означава, че можем да започнем да развиваме различни платформи за изследване на тази революция. Представете си, ако можехме да създадем самоподдържаща се изкуствена форма на живот, това не само ще ни доведе до откриването на произхода на живота -- че е възможно Вселената да няма нужда от въглерод, за да живее, може да използва всичко -- можем да направим още една крачка напред и да развием нови технологии, защото тогава ще можем да използваме софтуерен контрол за да кодираме еволюцията.
Let's zoom out to what that could mean. So we have this special theory of evolution that applies only to organic biology, to us. If we could get evolution into the material world, then I propose we should have a general theory of evolution. And that's really worth thinking about. Does evolution control the sophistication of matter in the universe? Is there some driving force through evolution that allows matter to compete? So that means we could then start to develop different platforms for exploring this evolution. So you imagine, if we're able to create a self-sustaining artificial life form, not only will this tell us about the origin of life -- that it's possible that the universe doesn't need carbon to be alive; it can use anything -- we can then take [it] one step further and develop new technologies, because we can then use software control for evolution to code in.
Представете си, че можем да направим малка клетка. Искаме да я поставим навън в околната среда и искаме тя да бъде захранвана от Слънцето. Това, което ще направим, е да я оставим да еволюира в кутия с включена светлина. И няма да използваме дизайн. Ще намерим това, което работи. Трябва да вземем нашето вдъхновение от биологията. Биологията не се интересува от дизайна, освен ако той работи. Това ще преобразува начинът, по който проектираме нещата. Но не само това, ще започнем да мислим за това как можем да започнем да развиваме симбиотична връзка с биологията. Няма ли да бъде страхотно, ако можехте да вземете тези изкуствени клетки и да ги смесите в биологични такива, за да поправите проблеми, с които наистина не можем да се справим? Истинският предмет на клетъчната биология е, че ние никога няма да разберем всичко, защото това е многомерен проблем, поставен от еволюцията. Еволюцията не може да бъде разкъсана. Трябва някак да намерите правилната функция. И дълбокото осъзнаване за мен е, че ако това работи, концепцията за егоистичния ген бива избутана едно ниво нагоре, и ние наистина започваме да говорим за егоистична материя.
So imagine we make a little cell. We want to put it out in the environment, and we want it to be powered by the Sun. What we do is we evolve it in a box with a light on. And we don't use design anymore. We find what works. We should take our inspiration from biology. Biology doesn't care about the design unless it works. So this will reorganize the way we design things. But not only just that, we will start to think about how we can start to develop a symbiotic relationship with biology. Wouldn't it be great if you could take these artificial biological cells and fuse them with biological ones to correct problems that we couldn't really deal with? The real issue in cellular biology is we are never going to understand everything, because it's a multidimensional problem put there by evolution. Evolution cannot be cut apart. You need to somehow find the fitness function. And the profound realization for me is that, if this works, the concept of the selfish gene gets kicked up a level, and we really start talking about selfish matter.
И какво означава това във Вселена, където сега ние сме най-висшата форма на материя? Вие седите на столове. Те са неодушевени, те не са живи. Но вие сте направени от материя и използвате материя, и заробвате материя. Значи използването на еволюцията в биологията, и в органичната биология за мен е доста привлекателно, доста вълнуващо. И ние наистина достигаме все по-близо до това да разберем ключовите стъпки, които карат мътвата материя да оживее. И отново, когато мислите за това колко невероятно е това, помнете, преди пет милиарда години ние не сме били тук и не е имало живот. И какво ни казва това
And what does that mean in a universe where we are right now the highest form of stuff? You're sitting on chairs. They're inanimate, they're not alive. But you are made of stuff, and you are using stuff, and you enslave stuff. So using evolution in biology, and in inorganic biology, for me is quite appealing, quite exciting. And we're really becoming very close to understanding the key steps that makes dead stuff come alive. And again, when you're thinking about how improbable this is, remember, five billion years ago, we were not here, and there was no life. So what will that tell us
за произхода на живота и смисъла на живота? Но може би, за мен като химик, искам да стоя настрана от всеобщите термини, искам да мисля за детайлите. Какво означава да определиш живота? Ние наистина се мъчим да направим това. И мисля, че ако можем да накараме неорганичната биология, и можем да накараме материята да стане еволюираща, това всъщност ще определи живота. Предлагам ви, че материята, която може да еволюира, е жива, и това ни дава идеята да направим еволюираща материя.
about the origin of life and the meaning of life? But perhaps, for me as a chemist, I want to keep away from general terms; I want to think about specifics. So what does it mean about defining life? We really struggle to do this. And I think, if we can make inorganic biology, and we can make matter become evolvable, that will in fact define life. I propose to you that matter that can evolve is alive, and this gives us the idea of making evolvable matter.
Много ви благодаря.
Thank you very much.
(Аплодисменти)
(Applause)
Крис Андерсън: Само един бърз въпрос за срока. Вярвате ли, че ще успеете в този проект? Кога?
Chris Anderson: Just a quick question on timeline. You believe you're going to be successful in this project? When?
Лий Кронин: Толкова много хора мислят, че животът е имал нужда от милиони години, за да се появи. Ние предлагаме да го направим само за няколко часа, след като веднъж установим правилната химия.
Lee Cronin: So many people think that life took millions of years to kick in. We're proposing to do it in just a few hours, once we've set up the right chemistry.
К.А.: И кога мислите ще стане това?
CA: And when do you think that will happen?
Л.К.: Надяваме се в рамките на следващите две години.
LC: Hopefully within the next two years.
К.А.: Това би била голяма история. (Смях) В ума Ви какви вярвате са шансовете да се разхождате на някоя друга планета, на която има живот не базиран на въглерода, да се разхождате или да се просмуквате, или нещо подобно?
CA: That would be a big story. (Laughter) In your own mind, what do you believe the chances are that walking around on some other planet is non-carbon-based life, walking or oozing or something?
Л.К.: Мисля, че е 100 процента. Защото работата е там, че ние сме толкова шовинистични спрямо биологията, ако премахнете въглерода, има други неща, които могат да се случат. Значи другото нещо -- ако сме способни да създаден живот, който не е базиран на въглерода, вероятно ще можем да кажем на НАСА какво точно да търси. Не ходете да търсите въглерод, ходете и търсете еволюираща материя.
LC: I think it's 100 percent. Because the thing is, we are so chauvinistic to biology, if you take away carbon, there's other things that can happen. So the other thing that if we were able to create life that's not based on carbon, maybe we can tell NASA what really to look for. Don't go and look for carbon, go and look for evolvable stuff.
К.А. Лий Кронин, успех. (Л.К.: Много благодаря.)
CA: Lee Cronin, good luck. (LC: Thank you very much.)
(Аплодисменти)
(Applause)