Iðandi kös af furðuverum sem eru tæpur millimetri að stærð þjóta um í petriskálinni.
Sum þessara mjúku kvikinda líta út fyrir að vera með handleggi og fætur, aðrar minna á ílanga snigla. En þessi kvikindi eru ekki með handleggi og fætur og við nánari eftirgrennslan líkjast þeir heldur ekki sniglum.
Þau líkjast reyndar ekki einu né neinu sem við höfum séð áður því þessar agnarsmáu verur eru ekki skapaðar með þróunarferli náttúrunnar.
Þær eru upphugsaðar og hannaðar af tölvu sem hefur stokkið yfir megininntak Darwins og skotist í gegnum sinn eigin stafræna þróunarferil. Afraksturinn er tilbúin uppskrift að nýrri tegund lifandi róbóta sem eru þó algjörlega úr náttúrulegum frumum. Að lokum hafa vísindamenn mótað verurnar eftir leiðbeiningum tölvunnar.
Stafrænt líf vaknar í petriskálinni
Ofurtölva hefur farið heljarstökk í gegnum stafrænan þróunarferil með sýndarstökkbreytingum og fundið heppilegustu lífverur fyrir mismunandi verkefni. Afraksturinn er hvorki róbóti né eiginleg lífvera – þetta er nýtt forritað lífsform.
1. Smíðaeiningar úr froskum
Vísindamenn kóða byggingareiningar sem eru stafrænir fulltrúar fyrir hjarta- (rautt) og húðfrumur (blátt) úr afríska klófroskinum. Þeir veita smíðinni einnig markmið, t.d. „lífveran á að hreyfa sig hratt“. Tölvan smíðar 50 tilfallandi verur til að ná því markmiði.
2. Stafræn þróun magnast
50 afbrigði skapast út frá fyrirmynd þeirra 50 fyrstu. Nú eru 100 „kvikindi“ prófuð. 50 bestu – t.d. þau skjótustu – eru valin frá og tölvan gerir 50 afbrigði af þeim. Nýr hópur með 100 slíkum er prófaður á ný og aftur eru valin 50 hæfustu. Ferlið er endurtekið þúsund sinnum.
3. Vísindamenn taka frumur úr fóstrum
Tölvan velur heppilegasta kandidatinn til að leysa verkefnin og nú fer lífsformið frá hinum stafræna heimi til raunveruleikans: Vísindamenn safna frumum úr fóstrum froska. Frumurnar vaxa saman í kúlulagaðar lífverur með lögum af hreyfanlegum og óhreyfanlegum frumum.
4. Lifandi róbótar mótaðir í petriskál.
Vísindamenn móta „lífverurnar“ með verkfærum sem m.a. eru notuð í smáskurðaðgerðir og fjarlægja vefi til að ná fram því formi sem tölvan hefur skapað. Nú framkvæma kvikindin þær hreyfingar sem tölvuhermirinn sýndi að þær myndu gera.
Þetta er því alveg nýtt lífsform sem er hvorki náttúruleg vera úr kjöti og blóði, né heldur róbóti sem stýrist af örflögum, heldur einhvers staðar þarna mitt á milli – forrituð lífvera: Lífbotti.
Vísindamennirnir sem standa að þessu verkefni eru frá m.a. Tufts University og Harvard University og hafa nefnt þessi litlu kvikindi „Computer-Designed Organism (CDO)“ – tölvuhönnuð lífvera.
Þessi viðundur samanstanda af húðfrumum og hjartafrumum úr klófroskinum Xenopus laevis en frumurnar hegða sér ekki lengur eins og eiginlegar húðfrumur.
Svokallaðir lífbottar eru ný gerð lífsforms sem tölvur hafa skapað en eru hvorki róbotar né eiginlegar lifandi verur heldur einhvers konar millistig.
Tölvan hefur gefið frumunum ný verkefni í þessum lifandi róbótum, sem hreyfa sig markvisst um í petriskálinni, þrátt fyrir að í þeim sé ekki að finna nokkurn vott af eigin heila eða greind.
Þessir dularfullu lífbottar geta flutt hluti til, unnið saman að verkefnum og jafnvel læknað sig sjálfir verði þeir fyrir skaða – og kannski geta þeir dag einn leyst umhverfisvandamál samtímans, eins og t.d. að fjarlægja örplast úr heimshöfunum eða losa okkur við hættulegan úrgang frá kjarnorku.
Og það er ekki einungis praktísk verkefni sem lífbottarnir geta mögulega leyst. Þeir geta einnig auðveldað vísindamönnum að skilja hvernig frumur hafa í samskiptum sín á milli og vaxa í lífverur.
Þetta útskýrir Michael Levin fyrir Lifandi vísindum en hann er einn forstöðumaður þessa verkefnis:
Vísindamenn frá m.a. Sorbonne Université þróuðu algrím til að leysa þá áskorun að róbóti myndi skaddast á fæti. Algrímið lagði til lausn sem vísindamönnum hafði yfirsést. Róbótanum ber að leggjast „á bakið“ og hreyfa sig með „olnbogunum“.
Með slíka þekkingu um frumuna, segir Levin, geta vísindamenn fræðilega „smíðað“ hvað sem er úr hvaða frumum sem er. Og verði unnt að hanna allt þetta með stafrænni þróun Darwins og smíða verurnar á rannsóknarstofu, geta sjúkdómar – og jafnvel öldrun – heyrt fortíðinni til.
Vísindamenn skapa lífsform
Lífverur jarðar hafa myndast í margra milljóna ára þróun. Í sérhverri tegund eru þau afbrigði sem reyndust farsælust – hvort heldur það varðar fjölda útlima, lipurleika eða greind – og allar hafa betrumbætt eiginleika sína í gegnum ótal stökkbreytingar og endað eins og raun ber vitni.
En hvað ef við getum ekki beðið í milljónir ára til að sjá nýjar tegundir koma í heiminn með náttúrulegri þróun – hvað ef við gætum skapað þær snimmhendis á rannsóknarstofu? Menn hafa spurt sig að þessu í mörg ár.
Það þarf ekki annað en að hugsa um 200 ára gamla sögu Mary Shelleys um doktor Frankenstein og skrímsli hans sem var skelfilegt nýtt lífsform skapað úr dauðum vefjum en var vakið til lífs með dularfullum hætti af Frankenstein.
Á síðustu tveimur áratugum hefur þessi draumur manna um að skapa líf náð inn á rannsóknarstofur vísindamanna.
J. Greg Venter skapaði árið 2010 nýtt líf í rannsóknarstofu þegar hann setti tilbúið DNA inn í frumu sem tók að haga sér samkvæmt þessum tilbúna DNA-kóða.
Eitt verkefni sem náði um heim allan fólst í að kortleggja DNA og hefur það veitt okkur vinnuteikningar náttúrunnar sem sýna hvernig mismunandi lífverur eru „forritaðar“ og árið 2010 náðist mikilsverður áfangi í þessum efnum.
Teymi vísindamanna undir forystu bandaríska genasérfræðingsins J. Craig Ventel skapaði tilbúinn DNA-kóða og kom honum fyrir í frumum. Frumurnar breyttu hegðun sinni og fylgdu þessum viðbætta DNA-kóða. Þar með höfðu vísindamenn skapað fyrsta dæmið um tilbúið líf í sögunni – hannað og „forritað“ í rannsóknarstofu.
Síðan hafa vísindamenn gert margvíslegar tilraunir með allt frá tilbúnu RNA til blendingsvera sem samanstanda af mekaník og náttúrulegum frumum. En með lífbottunum er allt annað á ferðinni.
Sjáðu lífbotta skapaða á rannsóknarstofu
Vísindamenn draga frumur upp úr froskafósturvísum og frumurnar eru settar saman í samræmi við hönnun sem gerð er af gervigreind. Frumurnar vaxa saman og verða litlar, forritaðar verur. Ekki vélmenni, ekki lifandi. Einhvers staðar þar á milli.
Myndband: Douglas Blackiston, Levin rannóknarstofan við Tufts háskólann & Samuel Kriegman, Bongard rannsóknarstofan við Vermontháskóla.
Öll fyrri lífsform sköpuð í rannsóknarstofum hafa verið upphugsuð og hönnuð af vísindamönnum. Menn hafa þannig skrifað niður nákvæm áform um hvernig þeirra eigin „Frankensteinar“ ættu að haga sér þegar verurnar voru vaktar til lífs.
Nýju lífbottarnir hins vegar eru forritaðir af tölvu og vísindamenn hafa einungis fylgt nákvæmlega uppskrift tölvunnar til að kveikja líf með þessum verum í petriskál.
Nýjar verur spíra úr petriskálum vísindamanna
Vísindamenn hafa á síðustu 20 árum skapað mörg ný lífsform í rannsóknarstofum en meðan tilbúið líf hefur til þessa verið hannað af efnafræðingum og líffræðingum eru svokallaðir lífbottar „úthugsaðir“ af tölvu sem veitir frumum ný verkefni.
Lífbottar eru tölvugerðar verur
Lífbottar eru byggðir úr frumum úr afríska klófroskinum. Í náttúrunni verja húðfrumurnar (til hægri) froskinn fyrir utanaðkomandi árásum, meðan hjartafrumurnar (til vinstri) dæla blóði um skrokkinn. En lífbotti hegðar sér eins og róbóti – frumurnar framkvæma verkefni sem eru forrituð af tölvu.
Kvikindið er millistig lífs og vélbúnaðar
Þessi syndandi snúður er skapaður í rannsóknarstofu við Harvard University. Skrokkurinn samanstendur af silikoni, húðuðu með mörgum lögum af hjartafrumum – alls eru notaðar um 200.000 frumur úr hjarta rottu og þær virka eins og vöðvar róbótans.
Sameindabotti getur knúið mótora
Vísindamenn hafa skapað svonefndar sameindamaskínur sem eru aflangar sameindir. Sameindin getur verið hringlaga og forrituð til að hreyfast til og frá. Hreyfingin getur t.d. dugað til að losa orku sem getur knúið litla mótora.
Stafræn þróun gerist á 20 tímum
Nýtt lífsform er skapað út frá nokkrum grundvallarbyggingarsteinum – í tilviki lífbottanna eru það frumur úr afrískum klófroski. Fyrsta skrefið í þessu brautryðjandi lífbottaverkefni var að skrifa niður tvær gerðir frumna úr frosknum – húðfrumur og hjartafrumur – sem gagnakóða.
Meginhlutverk húðfrumnanna í náttúrunni er að verja froskinn, m.a. gegn utanaðkomandi sýkingum og þessar frumur geta ekki hreyft sig. Hlutverk hjartafrumnanna í náttúrunni er að dæla blóði inn í líkama frosksins og því geta þær dregið sig saman og myndað hreyfingu.
Þessir tveir eiginleikar, að vera óhreyfanlegur og hreyfanlegur, voru tengdir við frumurnar sem tölvan nýtti sér síðan sem þrívíðar byggingareiningar. Að lokum skráðu vísindamennirnir eins konar yfirmarkmið, t.d. „hraða hreyfingu í beinni línu frá punkti a til b“ og síðan hófst þróunin – skrifuð með runum af 1 og 0.
Tölvan vann með svokallað þróunar-algrím sem fer í gegnum sínar eigin hraðskreiðu útgáfur af stökkbreytingum náttúrunnar. Það tók t.d. einungis um 20 tíma að þróa lífbotta, meðan vísindamenn frá Oregon State University hafa kortlagt að það tekur um eina milljón ára fyrir umtalsverða stökkbreytingu, t.d. nýja stærð líkama, að verða viðvarandi eiginleiki tegundar.
Tölvuþróunin hófst fyrir hvert einstakt markmið, t.d. styrk eða hraða, með því að smíða 50 tilfallandi samsetta lífbotta. Þessir 50 „hönnunargripir“ voru skapaðir í þrívíðum hermi þar sem algrímið getur smíðað, prófað og þróað áfram og betrumbætt lífbotta.
Þessu næst þróaði tölvan 50 nýja lífbotta sem líktust hinum upprunalegu 50 en voru með agnarlitlar stökkbreytingar og frávik frá upprunalegu útgáfunni af samsetningu byggingareininganna.
10.000 frumur úr fóstrum froska mynda saman einn svonefndan lífbotta.
Þessi hópur af 100 lífbottum var síðan prófaður – í tölvuhermi – t.d. hversu hratt þeir gætu farið þvert yfir petriskál. 50 hraðskreiðustu lífbottarnir voru teknir frá en hinum eytt.
Þar með var tölvan komin fram með nýja kynslóð af hæfustu lífbottunum. Út frá þessari kynslóð hannaði tölvan enn á ný 50 nýja lífbotta með litlum stökkbreytingum þannig að samanlagður fjöldi þeirra náði aftur 100.
Enn á ný voru þeir prófaðir, þeir 50 hraðskreiðustu voru útnefndir „sigurvegarar“, og hinir 50 teknir í burtu. Og þannig hélt þróunarferillinn áfram í alls 1.000 kynslóðir.
Ofurtölvan sem hefur skapað lífbottana fór í gegnum þennan þróunarferil fyrir 100 mismunandi afbrigði af þessum litlu lifandi róbótum. Og þegar þessi stafræna þróun var tilbúin gátu líffræðingar við Tufts University haldið áfram með því að móta kvikindin með raunverulegum froskafrumum.
Fyrst tóku þeir húð- og hjartastofnfrumur úr fóstrum frosksins. Frumunum var komið fyrir í litlum kúlum og þar fengu þær að vaxa með frumuskiptingu.
Þegar kúlurnar höfðu vaxið í um 10.000 frumur með breytilegum lögum af húðfrumum og hjartafrumum tóku vísindamennirnir að móta kvikindin eftir uppskrift tölvunnar á þróuninni.
Í smásjá voru notaðar tangir og rafskaut sem er yfirleitt nýtt í litlar skurðaðgerðir, til þess að tína burt frumur svo að það sem eftir væri yrði sem næst upprunalegum fyrirmælum tölvunnar. Um helmingur af frumunum var skorinn frá hverjum lífbotta í þessu ferli.
Tölvuhermar sýndu vísindamönnum til mikillar furðu að ólíkar gerðir af svonefndum lífbottum geta unnið saman þrátt fyrir að hafa engan heila. Þetta var prófað í petriskál með ljósrauðum litarögnum sem lífbottarnir söfnuðu samviskulega saman í „hrúgu“.
10.000 frumur safna plasti
Lífbottarnir tóku að haga sér eins og tölvan hafði spáð fyrir um. Sumir hreyfðu sig í beinum línum og aðrir fóru hringi á meðan enn aðrir tengdust saman í skamma stund og unnu í pörum við að leysa verkefni.
Samtengingin átti sér stað af sjálfu sér þegar lífbottarnir rákust saman og „samvinnan“ var nokkuð sem tölvan hafði þróað í hermilíkani sínu, vísindamönnum til mikillar furðu. Svo virtist sem að flokkar af lífbottum gætu sameiginlega t.d. safnað saman litlum ögnum.
Vísindamenn könnuðu þetta nánar með því að fylla petriskál af litarögnum og lífbottum. Í ljós kom að flokkur lífbotta safnaði litarefninu saman í „hrúgu“. Árangur þessi veitir vísindamönnum von um að lífbottarnir kunni dag einn að geta tekist á við og fjarlægt eitt helsta umhverfisvandamál okkar – örplast í heimshöfunum.
Lífbottar geta læknað
Og þessi geta lífbottanna að eiga við litla hluti getur einnig komið að notum í öðru samhengi. Ein gerð lífbotta er t.d. með gat í miðjunni. Gatið hefur tölvan myndað til að leysa markmiðið „hreyfing með minnsta mögulega viðnámi við vökva“.
En þökk sé smávægilegum stökkbreytingum kom í ljós að gatið má einnig nýta til að flytja agnarsmáa hluti. Vísindamenn sáu strax margvíslega möguleika: Lífbotti getur sem dæmi flutt nanóagnir með krabbameinslyfi inn í líkamann á sjúklingum og meðhöndlað einvörðungu sjúkar frumur, án þess að skaða nærliggjandi vef eins og gerist venjulega.
Þar sem lífbottarnir eru minni en einn millimetri og brotna náttúrulega niður eftir um viku tíma geta þeir skilað litlum skömmtum af lyfjum á ákveðna staði í líkamanum.
Aðrir lífbottar með getuna til að ýta til hlutum má kannski nýta til að fjarlæga æðakölkun úr æðum sjúklinga.
Lifandi róbótar hreinsa upp og dreifa lyfjum
Svokallaðir lífbottar innihalda fituefni og prótín sem veita þeim um viku líftíma. Á þeim tíma geta þeir t.d. safnað saman örplasti í hafi eða dreift krabbameinslyfjum í líkamanum en síðan brotna þeir niður með náttúrulegum hætti.
Fjarlægja plastrusl úr heimshöfunum
Mismunandi gerðir lífbotta geta tengst saman í pörum og unnið saman. Þannig geta þeir leyst verkefni betur – t.d. að ýta við litlum ögnum inn að sama svæði. Vísindamenn telja því að lífbottarnir sem brotna sjálfir niður hratt í náttúrunni, geti safnað saman örplasti í höfunum.
Leysa kalk úr æðum
Ein gerð lífbotta er með form sem minnir á þríhyrning með lítinn krók í einu horninu. Krókurinn virkar eins og gripbúnaður svo lífbottinn geti haldið fast í litla hluti og ýtt þeim í einhverja átt. Því ætla vísindamenn að lífbottar geti hreinsað t.d. kalk úr æðum.
Dreifa lyfjum í krabbameinssjúklingum
Sumir lífbottanna eru með gat í miðjunni til að minnka viðnám við umlykjandi vökva en móta má gatið þannig að lífbottinn geti flutt smáa hluti. Þannig getur lífbotti t.d. borið nanóagnir með krabbameinslyfjum inn í líkamann og skilað þeim til sjúkra frumna.
Sjálflæknandi lífbottar
Auk þess að hreyfa sig geta lífbottarnir einnig læknað sig sjálfa. Vísindamenn komust að þessu eftir að þeir höfðu skorið kvikindin frá hvert öðru en þá uxu nýjar frumur fram og lokuðu sárinu.
Getan til að lækna sig er eðlilega ofarlega á óskalista vísindamanna og fyrirtækja sem þróa róbóta sem eiga að vinna mun meira á eigin spýtur en þeir gera núna.
Ef róbóti er t.d. að hreinsa upp eftir kjarnorkuslys og verður fyrir skaða getur það sparað mikinn tíma ef hann gerir við sig sjálfur í stað þess að þurfa aðstoð frá mönnum.
Vísindamennirnir prófuðu einnig að snúa einum lífbotta á hvolf en þá missti hann næstum getuna til að hreyfa sig. Þetta passaði við niðurstöður úr tölvuherminum.
Þannig var ljóst að samhengið milli atferlis í stafrænum og hliðrænum heimi var ekki helber tilviljun. Þetta próf sannaði þannig að tölvan hafði virkilega skapað nýtt lífsform sem hegðaði sér nákvæmlega eins og það var forritað til að gera.
Svona hraðar ofurtölva þróuninni
Vísindamenn við Tufts háskólann og Vermontháskóla gáfu ofurtölvu grunnupplýsingar um tvær tegundir froskafrumna – hjartafrumur og húðfrumur – og svo tók við þróunarferli tölvunnar sjálfrar. Á u.þ.b. 20 klukkustundum þróaði tölvan nýja veru – eitthvað sem getur tekið margar milljónir ára í náttúrunni. Lestu skýrsluna þar sem rannsakendur útskýra nálgun sína.
Nýtt lífsform markar nýtt tímaskeið
Lífbottarnir marka upphafið á nýju tímaskeiði fyrir tölvuhannað líf. Nú er sannað að tölva getur framkallað lífverur sem maðurinn gat ekki spáð fyrir um, þrátt fyrir að vísindamennirnir sjálfir hafi lagt allar meginlínurnar í þessum efnum.
Með lífbottum geta vísindamenn smíðað nýjar lífverur sem tölvan þaulhugsar með stafrænni þróun. Ein helsta byltingin er þannig ekki hvaða verkefni lífbottar geta leyst, heldur er það sú þekking sem þeir geta veitt okkur um frumur.
Þetta útskýrir vísindamaðurinn Michael Levin. Þróunarfræðileg algrím, segir hann geta hjálpað okkur við að skilja frumurnar á frumskeiði mannslíkamans.
„Ein helsta spurningin er hvernig frumur vinna saman við að smíða flókinn líkama á fósturstiginu. Hvernig vita þær hvað skal gera og hvaða boðefni nota frumurnar við smíðina? Og eins hvernig vita þær hvenær ber að stoppa á réttum tíma? Þetta er mikilvægt – ekki bara til að skilja þróun forma líkamans og virkni erfðamassans heldur fyrir allar líflækningar,“ útskýrir Michael Levin.
Finni vísindamenn svör við þessum spurningum opnast heill heimur af tölvuhönnuðum lífverum – eða sem dæmi líkamspörtum. Tökum bara t.d. smitsjúkdóma, segir Michael Levin.
„Þetta snýst um að geta stjórnað líffærunum,“ segir hann og útskýrir að ef við getum hannað líffræðilegan vef getum við einnig gert við hann. Við getum lagað líkamslýti hjá ungum börnum, forritað krabbameinsæxli þannig að þau verði að venjulegum vef og „kennt“ líkamanum að gera við sig eftir slys.
Jafnvel dauðinn yrði ekki lengur óhjákvæmilegur því að ef að tölvuhannaður vefur í líkamanum getur gert við sig í sífellu munum við þá nokkuð eldast? Lífbottarnir, telur Michael Levin, eru mikilvægt fyrsta skref í átt að þessum ótrúlegu framtíðarhorfum.
