[Proveržis!] Gyvos mašinos išmoko daugintis. Kol kas mėgintuvėlyje, bet mokslininkai jau planuoja aprūpinti jas nervų sistema (Video)

Harvardo ir Vermonto universiteto inžinieriai atliko mokslo proveržį: iš tūkstančių gyvų ląstelių jie padarė mažus kamuoliukus ir pademonstravo, kad šie gniutulėliai gali daugintis. Nesigilinant į kontekstą, naujiena atrodo kaip dar viena mokslininkų paraiška Šnobelio premijai, tačiau iš tiesų tai yra labai svarbus atradimas — ši tyrimų kryptis gali iš pagrindų pakeisti robototechnikos, inžinerinės biologijos raidą ir pakeisti fundamentalią gyvybės koncepciją.

Iš šono viskas atrodo paprasta. Petri lėkštelėje kaip užsukti plaukioja ir sukinėjasi keisti daugialąsčiai sferoidai, pavadinti ksenobotais, ir mokslininkai nepateikia aiškaus atsakymo: ar tai nauja gyvybės forma, ar naujas mašinų tipas. Ksenobotai dauginasi, tačiau kitaip, nei įprasta gyvūnų pasaulyje. Jie neauga, nesidalina, neskleidžia sėklų ir sporų, tačiau surenka naujus ksenobotus iš ląstelių, padėtų į Petri lėkštelę. Ir kur proveržis? Reikia šiek tiek paaiškinti.

Kaip netapti varle

Nieko panašaus į tai, ką tyrėjai sukūrė nėra, ir sukūrė taip, kaip niekas anksčiau to nedarė. Apie ksenobotus pasaulis sužinojo pernai, pasirodžius pirmam straipsniui šia tema ⁠ autoriai pranešė, kad iš 𝑋𝑒𝑛𝑜𝑝𝑢𝑠 𝑙𝑎𝑒𝑣𝑖𝑠 rūšies varlių ląstelių jie nulipdė kažką panašaus tiek į organizmą, tiek ir į robotą. Buvo imamos pačios ankstyviausios vystymosi stadijos buožgalvių ląstelės ir tiesiog pincetu surenkamos į pupelės formos apvalius gumulėlius.

Šios ląstelių sankaupos nesubyrėjo, išlaikė formą ir netgi ją atstatydavo, jei tyrėjai bandydavo jas „sužeisti“. Ksenobotai aktyviai plaukiojo, šliaužiojo Petri lėkštelės dugnu įvairiausiomis trajektorijomis ir rinko smulkias atliekų daleles į krūveles. Žodžiu, elgėsi kaip gyvūnai, tegul ir itin primityvūs. Pavadinimą 𝑋𝑒𝑛𝑜𝑏𝑜𝑡galima traktuoti kaip „varlinis robotas“, ir jis atspindi nevienareikšmę šių sutvėrimų prigimtį.

Ksenobotų forma ir ląstelinė sudėtis nebuvo atsitiktinė. Bostone biologai dirbo su gyvomis ląstelėmis, tačiau iš pradžių Berlingtone robototechnikai parinko optimalius botų parametrus evoliuciniu algoritmu, modeliuodami šimtus skirtingų konfigūracijų. Kitaip tariant, šie organizmai buvo suprojektuoti.

Jie gyveno vos porą savaičių, juk tyrėjai jų nemaitino, tačiau peno apmąstymams tyrėjai gavo. Įprasta ląstelių, iš kurių sudaryti ksenobotai, lemtis, — būti varlės oda ir išskirti gyvūną nuo bakterijų ir toksinų saugančia gleives. Nors DNR ląstelėms nurodo tapti varle, ląstelės ja netapo, o virto anksčiau neregėtu, kitokios morfologijos ir kitaip besielgiančiu organizmu.

Kur dingo genuose įrašytas „varliškumas“, ir iš kur radosi naujas elgesys?

Tai mūsų biologijos ir gyvybės supratimo gelmės klausimas. Svarbu suprasti, as nutiko: gyva materija buvo reorganizuota, perprogramuota, tačiau ne įprastais kompiuterių moksluose ar genų inžinerijoje naudojamais būdais. Tariamoji programinė įranga, tai yra varlės DNR, liko tokia pati, nepaliesta; tačiau pasikeitė „geležis“ — nauja ląstelių konfigūracija lėmė visai kitokį genomo pasireiškimą.

 

Evoliucija yra kažkas daugiau, nei vien konkrečių problemų sprendimų paieška aplinkoje, — sako vienas iš tyrimo autorių Mike'as Levinas. — Tai, ką iš tiesų koduoja bet kurio gyvūno genomas, — tai tam tikras procesas, mokantis rasti naujus buvimo vientisu organizmu būdus naujomis sąlygomis.

Botai surenka botus

Taigi, pernai ksenobotai buvo pademonstruoti publikai, o dabar autorių komanda pranešė apie naują jų savybę. Ksenobotai išmoko save replikuoti. Tačiau vėlgi, visai ne taip, kaip tai daro varlės, ir ne taip, kaip bet kurie kiti gyvūnai. Jie neneršia, nesidalina ir nesipumpuruoja. Gamtoje dauginimasis visada susijęs su augimu ir audinių donoryste — botai dauginasi susirinkdami, be tiesioginio paveldimumo.

Stebėdami „šiukšlių tvarkymą“ Petri lėkštelėje, biologai nusprendė pažiūrėti, kas nutiks, į lėkštelę su ksenobotais įbėrus sluoksnį tokių pačių varlių ląstelių. Idėja suveikė, botai judėjo ir manevruodami stumdė pavienes ląsteles į gniutulėlius. Jie rinko, stumdė ląsteles, gumulėliai augo ir galiausiai patys virsdavo organizuotais ksenobotais — pradėdavo judėti.

Tyrėjai naujagimius perkeldavo į kitą lėkštelę, kurioje irgi įberdavo ląstelių, ir procesas kartodavosi: botai judėjo ir iš disocijuotų ląstelių rinkdavo naują panašių į save ksenobotų kartą. Toks susirinkimo būdas veikiau būdingas biomolekulėms, kada, pavyzdžiui, baltymų mašinos surenka kitas baltymų mašinas. Tačiau tarp gyvūnų ar augalų tokio dauginimosi būdo nėra užfiksuota.

Mokslininkai ir čia pasitelkė modeliavimą. Jie privertė daugintis skaitmeninius ksenobotus, ir modelis prognozavo, kad surinkimo efektyvumas priklausys nuo pradinės formos. Programa išbandė daugybę įvairių variacijų, nuo paprastų sferų iki trikampių ir žvaigždžių. Tinkamiausia pasirodė Pakmaną iš garsaus žaidimo Pac-Man primenanti forma, tai yra, ratas su išpjautu sektoriumi. Biologai taip ir padarė — išgnybdami kąsnelius, sukūrė tokios formos botus. Ir iš tiesų tokie botai paliko daugiausiai generacijų.

Šie eksperimentai ir ląstelių gumulėlių bruzdėjimas Petri lėkštelėje gali atrodyti kaip kažkas primityvaus, nerangaus, gal netgi komiško, tačiau mokslininkai iš tiesų tuo užsiima ne dėl pramogos. Visa tai yra fundamentalių tyrimų programa — jei pasiseks, ji pakeis požiūrį, kaip reikia projektuoti ir konstruoti sudėtingai besielgiančias mašinas.

Kriptoorganizmai

Dideli mokslos atradimai ir proveržiai dažnai prasideda būtent nuo tokių maksimaliai parastų demonstracijų, ir JAV Gynybos ministerijos perspektyvių tyrimų projektų agentūra tai gerai supranta: ksenobotų tyrimo programą finansuoja DARPA.

Tai nėra artimos ateities klausimas, kol kas tokie botai nieko naudingo daryti negali. Tačiau jie yra akivaizdi iliustracija, kad toks būdas veikia — iš gamtoje paimtų elementų bazės galima surinkti gyvus robotus, neprimenančius pradinių organizmų. O be to, jų konfigūraciją ir saybes galima modeliuoti kompiuteriu.

Ir, žinoma, dabartiniai ksenobotai neprivalo likti primimtyvūs. Ląstelių kiekis ir įvairovė gali didėti. Tarkime, būtų įdomu aprūpinti botus šviesai jautriomis ląstelėmis ar papildyti neuronais. Mokslininkai tokias galimybes jau svarsto.

Konkrečiai užduočiai sukurti botai galėtų, pavyzdžiui, kovoti su patogenais, valyti teršalus ar būti naudojami regeneratyvinėje medicinoje. Tarkime, sukūrus botus iš paciento ląstelių, jie nugabentų vaistus į organus arba gydyti žaizdas ir atkurti audinius, nesukeldami atmetimo reakcijos. Botus galima daryti trumpai gyvenenčius — pabaigę užduotį, jie paprasčiausiai suirtų ir būtų pašalinami iš kūno.

Šios tyrimų programos šerdis yra idėja, kad procesų mikrovaldymas, – kuo dabar užsiima molekulinė biologija ir medicina – toli mūsų nenuves. Reikia mokytis dirti viršutiniuose gyvybės hierarchijos aukštuose, o lokalių sprendimų priėmimą palikti organizmui ir jo dalims — jie susitvarkys geriau. Kitaip tariant, dera siekti „programuoti viršuje“.

Noritn tai pasiekti, reikia giliau suprasti gyvybės veikimo principus. Kol kas tokio supratimo nėra. Priimta manyti, kad DNR užtikrina varlės vystymąsi, tačiau paaiškėjo, kad tie patys genai gali realizuoti visiškai kitokį organizmo planą, neturintį jokių galimybių išlikti gamtoje, ir jis taip pat gyvens, demonstruos elgesį ir netgi dauginsis.

Kokie dar varlės DNR turintys organizmai gali būti įkūnyti, kiek jų, kokios taisyklės apsprendžia jų sandarą? Kaip su žmogaus DNR?! Į šiuos klausimus dar neatsakyta, tačiau jie patys nuo šiol nėra beprasmiai.

„Mūsų tiriamose ląstelėse įprastas varlių genomas — standartiškai jos kuria buožgalvius ir varles, — tačiau iš tiesų gali daryti ir kitus įdomius dalykus. Kolektyvinis jų atsakas į naujas sąlygas susidaro iš įvairaus tarpląstelinio bendravimo, konkurencijos ir bendradarbiavimo. Ir tai yra gyvybės programinės įrangos supratimo dalis“, — pažymi Levinas.

Gyvos ateities mašinos

Šie tyrimai turi ir gilesnę prasmę, fundamentalaus gamtos supratimo ir bendro sudėtingų sistemų supratimo. Kas tokie ksenobotai — biomedžiaga, organizmai ar robotai, kuri interpretacija teisingesnė? Projektui vadovaujančio Joshua Bongardo ir Michaelo Levino nuomone, XXI amžiuje šio klausimo aktualumas vis menks. Inžinerinė biologija ištrins organizmo ir mašinos ribas.

Dabar ši riba gerai matoma eksperimentuose, sako Bongardas. Juk biologai tik sumaišė ląsteles, ir jos vėl susibūrė į kažką gyvo ir organizuoto. Šiuolaikinėms technologijoms tai visiškai nebūdinga: sumaišius automobilio variklio ar kompiuterio detales, jie nustos veikti – bus tiesiog krūva metalo laužo.

Galima iš gamtos pasiskolinti šias lanksčias architektūras ir principus, kurie padės padaryti išties autonomiškus ir adaptyvius robotus. Jie bus gaminami ne iš detalių, o iš „detalių“, kurios pačios bus robotai, savo ruožtu sukurti iš robotų. Panašiai kaip ląstelėje veikia molekulinės mašinos, o ląstelės sudaro organus ir audinius, formuojančius jau kaip esybę besielgiantį organizmą.

Tokio roboto komponentai gali būti gyvi ar turėti tik gyvas dalis. Ir projektuojami jie bus, pasitelkiant evoliucinį modeliavimą, ir rasis formos, kokių laukinėje gamtoje niekad nebūtų. Taip dirbtinis intelektas sukurs naują gyvybę.

Žvelgdami į Petri lėkštelėje besikeburnėjančius nerangius padarus, mokslininkai įsižiūri į biologijos „tamsiąją materiją“. Jie ima suprasti, kad potencialiai egzistuoja milžiniška neregima chimerinių mašinų ir organizmų erdvė.Jų galimos savybės, elgesys ir organizavimosi principai nežinomi, tačiau juos galima bandyti ištirti, ir ksenobotai tėra pirmasis svečias, žengęs iš to hipotetinio pasaulio į realųjį.