Definiranje života: Pitanja i odgovori sa znanstvenikom Geraldom Joyceom

Slatkovodni fitoplankton

Jedna vrsta života na Zemlji: slatkovodni fitoplankton, uglavnom dijatomeje i dinoflagelati (iz jezera Chuzenji u Japanu). (Kredit za sliku: NEON)





Što je život? To je naizgled jednostavno pitanje koje dovodi do složenih odgovora i burnih filozofskih i znanstvenih argumenata. Neki se usredotočuju na metabolizam kao ključ života, drugi na genetiku, a čak je bilo i prijedloga da nam je potrebno potpuno novo znanstveno polje kako bismo došli do zadovoljavajuće definicije.

Ako se ikada nadamo da ćemo identificirati život drugdje u svemiru, moramo razumjeti što odvaja živa bića od nežive tvari. Radna definicija koju u posljednje vrijeme koristi NASA jest da je 'život samoodrživi sustav sposoban za darvinovsku evoluciju'.

Ova se definicija često pripisuje Gerald Joyce istraživačkog instituta Scripps. Joyceovo se istraživanje usredotočuje na podrijetlo života, a njegov je laboratorij prvi proizveo samoreplicirajući sustav, sastavljen od RNA enzima, sposoban za eksponencijalni rast i evoluciju. [ 7 teorija o podrijetlu života ]



U ovom intervjuu Joyce se suprotstavlja tvrdnji da je izmislio NASA -in rad definicija života , a zatim raspravlja o povijesti i razmišljanju iza nje. Također otkriva zašto je bilo tako teško doći do definicije koja bi obuhvatila sve aspekte i dimenzije života kakvog poznajemo.

P: Čuo sam da ste stvorili definiciju života koju trenutno koristi NASA.

Dr. Sc. Gerald F. Joyce, profesor i istraživač na Skaggsovom institutu za kemijsku biologiju na Scripps Research Institute.



Dr. Sc. Gerald F. Joyce, profesor i istraživač na Skaggsovom institutu za kemijsku biologiju na Scripps Research Institute.(Slika zasluga: Scripps Research Institute.)

O: Ne, nije moje. Da objasnim malo povijesti: John Rummel, koji je bio upravitelj NASA -in program egzobiologije u to vrijeme imao nešto što se naziva 'Radna skupina za disciplinu egzobiologije'. To nije bila komisija za recenzije, već savjetodavna skupina voditelja programa o trendovima i budućim smjerovima na tom području.

Panel je činilo 12 ljudi, a to je bila vrlo široka skupina s obzirom na znanstvenu ekspertizu. Bio sam jedan član, a predsjedavajući panela bio je Dick Young, koji je bio prvi voditelj programa egzobiologije u NASA -i. Sada je pokojni. John Rummel želio je da sastavimo nešto što se zove 'Plan znanosti o disciplini', koje će mu dati smjernice za smjerove na tom području. Učinili smo to, ali to nije javni dokument - to je bio interni dokument koji je trebao pomoći Johnu ili kasnijim voditeljima programa.



Panel je dugo govorio o podrijetlu, evoluciji i distribuciji života, a negdje u raspravi pitali smo: 'Što je s definiranjem života? Stalno govorimo da ćemo to tražiti, pokušat ćemo uspjeti, razumjet ćemo kako je nastao i kako se razvija ... pa što je to? '

To je postalo tema za raspravu, kako na svečanim sjednicama, tako i na večeri navečer. I naravno, ne možete rigorozno definirati život jer to nije znanstveni pojam za početak; to je popularan izraz. Čak i među znanstvenicima, pokušavajući ga tretirati kao znanstveni pojam, postoje različiti načini pristupa. Neki žele popis atributa, drugi žele temeljni proces, treći žele neki fizički prepoznatljiv skup atributa za otkrivanje.

Tako smo shvatili da nećemo donijeti definiciju. Prije svega, ne bismo se trebali time baviti, ali također nije ni moguće. Ipak, osjećali smo se kao da mora postojati neka radna definicija. U dokumentu plana ne stoji: 'Radna definicija je ...' Ovo je bilo samo pitanje rasprave kako bismo znali na što ciljamo i o čemu govorimo.

Na stolu je bilo raznih jezika i mislim da sam predložio izraz 'samoodrživi kemijski sustav'. No sve je to bilo dio grupne rasprave. U dokumentu plana postoji mjesto koje govori o nastanku takvog sustava kao da je ravno porijeklu života.

Sve se to dogodilo oko 1992. Naravno strukturu DNK otkriveno je 1953., a polje je još uvijek doživotno probavljalo genetski orijentirano gledište, za razliku od onog koje se temelji isključivo na kemijskom toku. Dakle, ovo je bio način da se iskoristi sav napredak koji je postignut u biologiji i u razumijevanju temeljnih načela naše biologije, ali i da pokušamo razmišljati šire.

Najljepša stvar u raspravi, koja nije bila u dokumentu plana, bilo je cijeniti kako Darvinova evolucija postiže ključni atribut života, a to je dopustiti da složeni sustavi opstanu unatoč često nepredvidivom i promjenjivom okruženju. I to čini putem molekularne memorije u obliku genetskih informacija koje nastaju i održavaju se darvinističkom evolucijom.

Postoji li potpuno drugačiji način za to? Ne naš život, ništa što smo ikada vidjeli, ali možda postoji drugi način da oderate tu mačku? To bi bio veliki proboj, da postoji neka druga paradigma osim darvinističke evolucije koja vam daje ono što darvinistička evolucija vama daje. [ Charles Darwin na izložbi (galerija) ]

Bio je to zabavan dio rasprave, ali naravno, nitko nije imao određenu alternativu i nikad nisam čuo da je netko dao vjerodostojan prijedlog kako to sve postići bez darvinističke evolucije. Kad krenemo u potragu za drugim oblicima života, moramo razmišljati ne samo o kemikalijama, već i o tome kako su one dio sustava koji ima molekularnu memoriju i omogućuje darvinovsku evoluciju.

Razlog zašto sam označen izmišljanjem rada NASA -e definicija života nije zato što sam stavio neki jezik na stol, već zato što je postojala knjiga koju su uredili David Deamer i Gail Fleischaker pod naslovom 'Podrijetlo života: središnji koncepti'. Objavljen je 1994. godine i sadrži „najveće hitove“ nastanka tadašnjih životnih radova - zbirku klasičnih radova s ​​tog područja. Zamolili su me da napišem predgovor. Pozvao sam se na radnu definiciju u predgovoru, a ljudi se pozivaju na predgovor.

P: Dakle, samo ste citirali definiciju suradničkog rada.

O: Da, i referirao sam se na Radnu skupinu za egzobiološku disciplinu, ali to, naravno, ne postoji kao javni dokument, pa ljudi umjesto toga citiraju predgovor knjige. I, znate, i dalje mislim da je to razumna radna definicija, a i mnogi ljudi na tom području tako misle. Ali to je samo radna definicija; nema tu ništa službeno. Nitko nije glasao o tome, iako odražava stajalište konsenzusa.

Razlog za koji se kaže da je 'NASA -ina definicija' je taj što se pojavio u NASA -inom panelu, radnoj skupini za egzobiološku disciplinu. No NASA ne podržava definiciju niti je koristi kako bi odlučila je li neka mogućnost financiranja vrijedna ili nedostojna ili je neki istraživački program uspješan ili nije. Ništa slično.

P: No, ne koristi li NASA definiciju da odluči na primjer koju će opremu staviti na rovere, na primjer?

O: Ne, NASA nikada ne bi odmjerila misiju s tako jednostavnom stvari kao što je radna definicija. Mislim da ono što radna definicija čini je da ljudima istječe sok i kažu: 'U redu, pa ne možemo samo tražiti organske spojeve, jer oni mogu biti biogeni ili abiogeni.' Što znači ako su biogeni? Pa, to znači da su došli iz živog procesa, što prema radnoj definiciji znači da postoji neki darvinistički sustav koji je donio kodirane funkcionalne molekule koje usmjeravaju kemiju u biokemiju.

Dakle, to bi se moglo drugačije izraziti: razlika između života i neživota razlika je između kemije i biokemije. Ali to je tautološki. Ono po čemu se biokemija razlikuje od kemije jest to što u njoj ima povijesti i ta je povijest zapisana dijelovima koji su taloženi kroz darvinovsku evoluciju. Ako tako razmišljate, to je dobar putokaz za usmjeravanje nečijeg razmišljanja i za ljude da osporavaju ideje jedni drugih.

Pa onda kažete: 'Kako ćete tražiti genetski materijal ako ni ne znate što je to?' Ako je poput našeg, mogli biste ga pojačati PCR -om (lančana reakcija polimeraze). Ali što ako nije poput našeg? Neki bi mogli reći da biste trebali potražiti neke ponavljajuće obrasce naboja ili oblika koji su aperiodični i stoga bi mogli sadržavati informacijske bitove.

Postoje neke suptilnosti u radnoj definiciji. To nije samo darvinski sustav. To je samoodrživi .... kemijski sustav ... sposoban proći .... darvinističku evoluciju. Zapravo smo razgovarali o svim tim uvjetima. U dokumentu plana postoji rasprava o tome mora li život biti kemijski. Možeš li imati život koji je samo djelić etera? U to vrijeme umjetni život u računalu bio je nova stvar. U dokumentu postoji izjava o tome kako bi se trebalo poticati proučavanja takozvanog 'Alifea', života u računalu, u mjeri u kojoj međusobno informiraju studije kemijskog života.

No NASA ne očekuje da će na Marsu ili Titanu pronaći hrpu superračunala. Ili čak računala ili iPhone. Tako smo se barem za NASA -ine svrhe htjeli usredotočiti na kemijski život. [6 Najvjerojatnija mjesta za vanzemaljski život u Sunčevom sustavu]

'Darvinovska evolucija' ima pridruženi popis svojstava: ne možete imati darvinističku evoluciju bez samoreplikacije ili reprodukcije. Ne možete ga imati bez promjenjivosti, nasljedstva i varijacija oblika i funkcija. I metabolizam je tu. Ne možete imati darvinovsku evoluciju bez, na određenoj razini, protoka polaznih materijala veće energije u proizvode s nižom energijom koji pokreću procese replikacije i svega što je potrebno za potporu replikacije.

Drugi oblik života: spužve. Razne spužve koje se ovdje vide uključuju žutu spužvastu cjevčicu (Aplysina fistularis), ljubičastu spužvicu u vazi (Niphates digitalis), crvenu spužvastu spužvicu (Spiratrella coccinea) i sivu spužvastu spužvu (Callyspongia).

Drugi oblik života: spužve. Razne spužve koje se ovdje vide uključuju žutu spužvastu cjevčicu (Aplysina fistularis), ljubičastu spužvicu u vazi (Niphates digitalis), crvenu spužvastu spužvicu (Spiratrella coccinea) i sivu spužvastu spužvu (Callyspongia).(Kredit za sliku: NOAA)

A tu su i posebna svojstva poput kretanja, razdražljivosti, ekološka svojstva poput odjeljenja, itd. sve su to adaptacije. A onda stvari poput fotosinteza , kemosinteza, skladištenje energije i tako dalje; to su samo strategije prilagodbe. Sve je to obuhvaćeno dijelom 'darvinističke evolucije'.

Opisimo sada 'sposobni' dio. Životni sustav čini stanovništvo, pa čak i ekologija. Sposobno se ne odnosi na jedan pojedinačni entitet; to ne čini živi sustav. Čini se da je pojedinac sposoban proći darvinističku evoluciju, ali zapravo može biti mrtav, ili fosilni ostatak, ili će umrijeti, ili neće moći pronaći partnera. Dakle, kaže se da je sustav sposoban, a ne pojedinac.

Zatim konačno 'samoodrživo'. Mislim da se to najviše zbunjuje jer je metabolizam implicitan u darvinističkoj evoluciji, ali nije pozvan u radnoj definiciji. Ljudi kažu: 'Samoodrživo? Ništa nije samoodrživo. ' No, 'samoodrživo' se ovdje odnosi samo na ono što je u ostatku definicije. Samoodrživo se odnosi na informacije potrebne za podvrgavanje darvinističkoj evoluciji. Kemijske informacije su proizvod darvinovske evolucije. Dakle, sve informacije potrebne da bi sustav prošao darvinističku evoluciju moraju biti dio sustava. [ Genetika po brojevima: 10 mučnih priča ]

Možda smo trebali reći: 'Kemijski sustav sposoban proći darvinističku evoluciju na samoodrživ način.' No, to bi ipak moglo zbuniti ljude jer bi rekli: 'Ne može biti samoodrživo jer bi to predstavljalo vječni stroj za kretanje.'

P: Mislio sam da 'samoodrživo' znači da ga ne morate stalno tjerati da to učinite; to čini samostalno.

O: To radi samostalno u informativnom smislu. Dakle, prema radnoj definiciji, a virus ne pravi rez. Virus je kemijski sustav koji može proći darvinističku evoluciju, ali ako o tome razmišljate kao o sustavu, virus nije sposoban proći kroz samoodrživu darvinističku evoluciju. Virusni genom se razvija samo u kontekstu stanice domaćina.

P: Argument koji sam čuo protiv samoodrživog dijela je da smo svi međuzavisni.

O: Dobro, ali nešto unutar sustava, unutar kolektivnog sustava, mora pružiti sve potrebne informacije za donošenje darvinističke evolucije. Virus sam to ne može postići, ali virus i stanica domaćin mogu.

Zatim imate činjenicu da postoje biotehnološki alati koji vam omogućuju provođenje usmjerene evolucije. Možete razviti RNA u epruveti koristeći biološke proteine ​​da biste je kopirali, mutirali i učinili sve one zabavne stvari koje je tjeraju da evoluira. Ali nije živ jer svi oni alati koje koristite - proteinske polimeraze i tako dalje - nisu razvijeni u sustavu i ne mogu se razvijati u sustavu. Razvili su se u virusima, bakterijama, eukariotima, a zatim su kooptirani kao 'besplatne informacije' kako bi doveli do darvinističkih procesa. Ti informacijski alati ne podliježu pravilima iste igre.

To je ključni koncept: da sve informacije potrebne da bi kolektivni sustav prošao darvinističku evoluciju moraju biti prisutne unutar kolektivnog sustava. Ne postoji lutkar koji obrađuje sve informacije izvan pozornice, a onda su molekule samo lutkarska predstava. Lutkara biste mogli ubrojiti u dio sustava, ali onda se i lutkar mora razvijati.

Tako da je prilično zeznuto. Smatram da je dobar način da izbjegnete zabunu da se zapitate: Gdje su dijelovi informacija? Ako govorite o darvinističkoj evoluciji, onda govorite o molekularnim informacijama. Jesu li bitovi u sustavu ili izvan sustava? Ako su svi bitni bitni za razvoj sustava u sustavu, tada može zadovoljiti radnu definiciju.

P: Smatrate li da je radna definicija bila korisna NASA -i?

O: Morali biste pitati Johna Rummela ili Mary Voytek, ali mislim da je tako. Imali smo ovo doba - koje se čini da je sada završilo - gdje su različita gledišta postala suparnička. 'To mora biti metabolizam prije genetike.' 'Ne, to mora biti genetika prije metabolizma.' Možda je radna definicija to neko vrijeme pogoršala. Ali volim misliti da ga sada čini boljim pružajući zajedničku referentnu točku.

P: Pa, još uvijek nismo našli život drugdje, pa je potrebno imati neku definiciju koja će nam pomoći u tome.

O: Mislim da se znanstvenici prilično približavaju u laboratoriju. Moj je laboratorij razvio samoodrživi kemijski sustav sposoban proći darvinističku evoluciju. Svi dijelovi koji su potrebni za njegovu evoluciju nalaze se u sustavu koji se razvija.

Pa zašto to nije život? Pa, mislim da ima tu još nečeg što ima veze s 'sposobnim' dijelom. Zaista moramo proširiti taj dio radne definicije. Naš laboratorijski sustav može se razvijati, ali do sada nije razvio nikakve nove funkcije.

Vraćate se na sljedeće: Zašto je darvinistička evolucija stavljena u središte razmišljanja o životu? Zato što je to način na koji se složeni entiteti mogu održati, ne kao pojedinac, već kao sustav, pred promjenjivim okruženjem koje je podložno neočekivanim promjenama. Sustav se razvija kako bi se prilagodio promjenama okoliša. Mora biti u stanju izmisliti nove funkcije jer te promjene u okolišu mogu biti više nego inkrementalne.

No, to vas dovodi do skliske padine: Koliko mora biti sposoban prije nego što ga smatramo sposobnim? Usporedite nešto što je evoluiralo 40 minuta i za koje se nikada više nije čulo, s nečim što je evoluiralo 40 milijuna godina i za koje se nikada više nije čulo jer ga je izvadio veliki udar. Tako prag za 'sposobne' postaje pomalo lukav.

P: Mislio sam da je 'sposoban' način da se pobjegne od 'izlaganja' evolucije. Zato što bi bilo teško reći je li nešto što gledate na tom polju trenutno u evoluciji.

Život na Zemlji ima veliki broj oblika i funkcija. Ovo filogenetsko drvo života prikazuje odnos između vrsta čiji su genomi sekvencirani od 2006. Centar predstavlja posljednjeg univerzalnog pretka cijelog života na Zemlji. Različite boje predstavljaju tri domene života: ružičasta predstavlja eukayotu (životinje, biljke i gljive); plava predstavlja bakterije; a zelena predstavlja arheju.

Život na Zemlji ima veliki broj oblika i funkcija. Ovo filogenetsko drvo života prikazuje odnos između vrsta čiji su genomi sekvencirani od 2006. Centar predstavlja posljednjeg univerzalnog pretka cijelog života na Zemlji. Različite boje predstavljaju tri domene života: ružičasta predstavlja eukayotu (životinje, biljke i gljive); plava predstavlja bakterije; a zelena predstavlja arheju.(Slika zasluga: iTOL: Interaktivno drvo života/Wikipedia)

O: Upravo zato je 'sposoban' stavljen u radnu definiciju. Ali kako sposoban je ono na što sada ciljam. Mogu li se petljati s 3. ili 4. decimalnim mjestom određenog atributa?

Neki ljudi žele reći 'sposobni za otvorenu darvinističku evoluciju'. No 'otvoreni' je previše jer život na Zemlji nije potpuno otvoren. Kad bi Zemlju udario stvarno veliki udar, život bi bio ovdje. Dakle, život nije otvoren za sve moguće događaje. Mislim da je 'široko pluripotencijalan' pravi izraz, ali ne mislim da će to biti dio radne definicije.

Koliko je 'široko' široko '?' Mnogo se stvari može promijeniti u okruženju, unutar određenih granica, a sustav može izdržati te promjene i, u darvinističkom smislu, preživjeti. Mislim da ne možete učiniti puno bolje od sadašnje radne definicije, a da ne ulazite u relativne pojmove.

P: Ali ne postoji definicija života s kojom se svi trenutno slažu. Je li to zato što znanstvenici imaju različita usmjerenja istraživanja i stoga imaju različite ideje o tome što je najvažnije?

O: To je dio toga. No, ljudi imaju i različita filozofska gledišta o tome što je, a što nije važno. Neki ljudi kažu da je genetika samo strategija za dovođenje protoka visokoenergetskih početnih materijala u proizvode s nižom energijom. Neki bi rekli da je genetika i sama vrsta prilagodbe. Ne bih to rekao jer je za mene genetika temeljna osnova darvinističke evolucije.

Razmišljam o tome u smislu sljedećeg: Ono po čemu se biologija razlikuje od kemije jest to što biologija ima svoju povijest. Ta povijest počinje kada započinje darvinistička evolucija, a svaka sljedeća stranica u toj povijesnoj knjizi svaka je uzastopna generacija i svi genotipovi koje ona sadrži. Kemija nije takva. Kemija se ne bilježi; to se jednostavno dogodi.

Neki kažu da sama darvinistička evolucija nije ništa drugo do kemijski sustav. Ali za mene je to čudno reći, jer jednom kad je sustav sposoban za darvinističku evoluciju, više nije samo kemijski sustav. Ima povijesne atribute i stoga je po definiciji biološki.

P: To gotovo zvuči kao definicija: Život je kemija s poviješću.

O: To je prilično dobro - sviđa mi se to! Ali to ne možete staviti kao radnu definiciju jer bi ljudi poludjeli. Rekli bi da postoje sve vrste kemijskih sustava koji prolaze kroz oscilacije, kaotično ponašanje i neprelazne putanje. Ti sustavi imaju povijest, ali nemaju molekularno pamćenje. Možete dobiti povijest uvjeta u složenim kemijskim sustavima kao posljedicu određenih putanja reakcije.

Ali biologija je drugačija po tome što zapravo bilježi povijest. Poput palimpsesta, dokumenta na koji se uvijek iznova i iznova piše, biologija je zapis onoga što se u to vrijeme pokazalo prilagodljivim, s vremena na vrijeme. To je doista moćan način organiziranja stvari.

Ovu priču osigurao je Časopis Astrobiology , web-publikacija koju sponzorira NASA -in astrobiološki program .

Prati nas @Spacedotcom , Facebook ili Google+ . Objavljeno dana guesswhozoo.com.