科学者たちは、生命の定義について本当に同意していません。ほとんどの場合、私たちは生命を本能的に認識するかもしれませんが、設定された基準でそれを突き止めようとするときはいつでも、いくつかの頑固な反例がその努力を台無しにします.それでも、何を探すべきかわからない場合、本当に他の世界の生命を探したり、この惑星での生命の初期段階を理解したりできるでしょうか?このエピソードでは、スティーブン・ストロガッツが、カーネギー研究所地球惑星研究所の鉱物学者、宇宙生物学者、シニア スタッフ サイエンティストであるロバート ヘイゼンと、アルバータ大学の化学教授であるシェレフ マンシーに話を聞き、新しい分類法と「細胞のチューリング テスト」は、この重要な質問に答えるのに役立つかもしれません。
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トランスクリプト
スティーブン・ストロガッツ (00:02):私はスティーブ・ストロガッツです。これはThe Joy of Whyです 、Quanta Magazine のポッドキャスト これにより、今日の数学と科学における最大の未解決の問題のいくつかにたどり着きます。
このエピソードでは、生きることの意味について話します。人生ってなに？定義できますか？科学者は実際には定義に同意していません。奇妙に聞こえますよね？つまり、私たちのほとんどは、鳥は生きていて、椅子は生きていないと自信を持って言うでしょう.しかし、さらに深く掘り下げると、科学者は次のような質問をします。生きていると見なされるためには、何かが繁殖できなければならないのでしょうか?それは自然淘汰による進化の産物でなければなりませんか?代謝が必要で、エネルギーを処理できる必要がありますか?
(00:51) これらの線に沿った定義には、例外がたくさんあります。たとえば、ウイルスは生きていますか？ウイルスは進化しますが、自分自身で複製することはありません。彼らは、宿主の細胞機構を使用して、自分自身のコピーをさらに作成します。生命とは何かという問題も重要です。なぜなら、他の惑星で生命を探しているのであれば、探しているものについて少なくともある程度の考えを持っている必要があるのではないでしょうか?
(01:15) このエピソードの後半で、アルバータ大学化学科の化学教授 Sheref Mansy に話を聞きます。まず最初に、Robert Hazen が私に加わりました。彼はカーネギー研究所の地球惑星研究所の鉱物学者、宇宙生物学者、上級科学者です。ボブ、今日はご参加ありがとうございました。
ロバート・ヘーゼン (01:38):ああ、それは嬉しい。どうもありがとう、スティーブ。
ストロガッツ (01:40):よかった。さて、これに飛び込みましょう。科学者が、常識的には、ほとんどの人がすでに理解していると言うことに同意するのが難しいのはなぜですか?同様に、植物は生きていて岩は生きていないことを知っています。生命の定義について何らかの合意に達するのが難しいのはなぜですか?
ヘイゼン (01:57):ええ、奇妙に思えますね。私たちは皆、生きていることを知っているからです。そして、私たちは皆、生きていないものを知っています。それでも、それはその間の灰色の領域です。ですから、これは生きていて、これは死んでいる、と言い始めると、それで問題ありません。しかし、すべてが生きているか死んでいる必要があると言うとき、あなたは誤った二分法を設定しています.生きていることの意味の分類法は、単に死んでいるか生きているかよりもはるかに豊かだと思います.
ストロガッツ ： うーん。
ヘイゼン (02:29):考えてみてください。あなたには生命の起源があります。つまり、これは非常に優れた指標です。私たちの地球の歴史には、生物が 1 人もいなかった時期がありました。それは爆破された表面で、火山とマグマで覆われていて、基本的に住みにくいものでした。命がわずかな足がかりを得られる場所さえありませんでした。しかし、徐々に、地球が冷え、海洋が形成され、ある種の生物にとって大気がより快適になるにつれて、プロセスがあったと考えられます.生命の起源である化学系が次第に複雑化していく歴史的過程が、より興味深いものになった。そして、ある時点で、おそらくタンパク質と DNA を持った最初の細胞がありました。しかし、その前に何かがなければなりませんでした。どこに線を引きますか?生命が存在しなかった空間と時間の絶対的なポイントがあり、その後、空間と時間の次のポイントがあったと言うのは難しい.
ストロガッツ (03:26):興味深い、興味深い。つまり、あなたの言い回しは、化学的複雑性の問題か、それに類する問題のように聞こえます。
ヘイゼン (03:34):化学の複雑さの問題です。しかし、それは分類学のより基本的な問題でもあります。ご存知のように、人間は二分法で考えるのはとても簡単です。良し悪し;黒、白;昼、夜。これらは生活をシンプルにするものです。これは、物事を非常に迅速に分類できることを意味します。人類の歴史の初期には、これが防御メカニズムでした。非常に迅速に決定を下さなければならなかったからです。その人の手を振るか、矢を放つかどうか。そのため、これらの決定を下す必要がありました。
しかし、自然界のより大きな問題について考えるときは、そうする必要はありません。自然界は驚くほど複雑で複雑です。そして、これらの複雑な化学システムがどのように出現するのか、どの時点で複雑な化学システムが本当に生きていると言えるのかは、まったく明らかではありません.
ストロガッツ (04:24):では、グレーゾーンについてのあなたの主張は理解できます。つまり、黒と白は通常、単純すぎて、事実上何にでも適用できます。その間には常にいくつかのあいまいさがあります。それにもかかわらず、NASA が実行している宇宙ミッションの場合、おそらく将来オフになる可能性があります。または、以前のミッションでさえ、火星にプローブを送信したときに、そのようなことを確認するための探求がありました。生命を検出できれば。そのため、この質問に客観的に答えるには、何を意味するかについていくつかの基準が必要だと考えるでしょう — 見つけたかどうか?
ヘイゼン (04:56):そしてNASAはそうしました。 NASAには基準がありました。そしてほとんどの場合、それは私が化学的特異性と呼ぶものと関係があります.つまり、有機分子、つまり炭素骨格で作られた分子は、宇宙のいたるところに存在します。炭素があるところならどこでも、「有機化学」と呼ばれるものが得られます。さまざまな種類の分子がたくさんあります。それらは一種の寄せ集めであり、これらのものの塊です.
(05:21):しかし、人生は非常に特殊です。ひとつ言えることは、何かが生きていると、そのエネルギーを使って、本当にうまく機能するいくつかの分子を作るということです。そして、ほとんど何もしない膨大な数の分子を無視します.したがって、生物学的オーバープリントを持つシステムがある場合、非常に特定の分子グループが表示されます。 「キラル」と呼ばれる分子、または左利きと右利きの分子かもしれませんが、左利きまたは右利きの分子だけが優勢になるかもしれません。おそらく、他のすべての奇数ではなく、2 の倍数、2-4-6-8 を持つ炭素の文字列だけが得られるでしょう。ランダムなプロセスだけで形成されるのではなく、選択的なプロセスによって形成される他の特性を持っているかもしれません.それがNASAが探していたものです。そして、それは賢明なことだと思います。
ストロガッツ (06:13):とても興味深いですね。あなたが言うには、化学的選択性のアイデアは、NASA によって可能であると提案された可能性がある、または少なくとも提案されたということです。 .
ヘイゼン (06:26):ええ、その通りです。バイオシグネチャーを探していること。ですから、これらの化学的特異性を見れば、うわー、ここで本当に興味深いことが起こったと言えると思います.そして、それは通常の自然なプロセスのようには見えません。機能のための実際の選択があったようです.仕事をした分子は、代謝したり、強力な細胞構造などを構築するのに役立ちます。だから、それが彼らが探していたものだと思います.
(06:56) しかし、問題は、それが人生を定義するものではないということですよね?それは、私たちが慣れ親しんだ種類の人生の特徴であると私たちが考える何かを探している、と言っているだけです.そこには他に何種類の生命がいるでしょうか？そして、それは私たちが知らないことです。分類法を構築するのに十分な情報がありません。つまり、これらのものは生きていて、これらのものは死んでおり、これらのものには他にも興味深い化学的特徴がいくつかあり、それらは本物そっくりかもしれませんが、そこには完全には到達していません.
ストロガッツ (07:23):では、機能以外には何がありますか?
ヘイゼン (07:27):自分自身の正確なコピーを作成できるかもしれない化学システムがありますが、それらは突然変異や自然淘汰を受けません。自分自身をテンプレート化する化学システムがあり、それらは横方向に成長し、どんどん大きくなり、成長しているように見えますが、実際には、私たちが生きていると考える別の実体をカプセル化するという特徴を持っていません.しかし、それらはすべて興味深いシステムであり、化学的な複雑さの一種の連続体の一部です.私にとって、さらに興味深い課題は、この分類法を開発することです。
(08:02) さて、リンネの分類システムについて考えてみましょう。王国があり、王国の下に門があり、命令などがあります。おそらく、化学的複雑性の分類法では、無生物の王国と生物の王国があり、あいまいなものの王国があるでしょう.そしてその下には、他のサブカテゴリやサブタイプがたくさんあり、宇宙は驚くほど素晴らしい場所であり、化学は驚くべきことを行い、その一部を生命と呼んでいることに気づき始めます. /P>
ストロガッツ (08:36):では、あなたはこれまで化学を強調してきましたが、興味深いことに、あなたは鉱物学と地質学の専門知識が豊富な人物だと思います。それらのフィールドはどうですか？生命やその他の興味深い現象の問題に関するこの非常に広大な図の中で、それらはどのように重なり合っているのでしょうか?
ヘイゼン (08:55):とても良い質問ですね。そして、それは人間性のより基本的な側面に行き着きます。
ええ、私は地質学と鉱物学の訓練を受けているので、地質学と鉱物学、または地球化学の観点から生命の起源を見ています。それは化学的錯化のプロセスです。生命の起源が生命のない惑星で発生したということは、地質学と化学があったことを意味します。あなたには命がありませんでした。ある意味で、あなたは人生を飛躍させようとしていたのです。それが私の認識です。あなたが話しているSherefのような他の人々、つまり、彼ははるかに生化学的なバックグラウンドを持っています.そして、彼は DNA と RNA と情報について非常に深く考えています。それは私たちが知っている人生の別の側面です。ある世代から次の世代に情報を渡し、保存し、コピーすること。少年、それは分子の挑戦です。
(09:44) そして、いくつかの非常に興味深い化学システムを想像することができます。その中には、私たちが生きていると考える属性さえ持っているかもしれませんが、必ずしも情報を運ぶわけではありません.それらは、分子自体の性質のために、魅力的な方法で再編成する化学システムにすぎません。これと私には非常に多くの属性があります.1つの非常に具体的な一連の基準を突き止めて、「これは人生であり、他のすべてはそうではありません.それ自体は非常に多様で複雑です。自然とは自然そのものであり、私たちは自然に分類法を押し付けようとしています。しかし、それは私たちがすべてのニュアンスを持っているという意味ではありません.
ストロガッツ (10:31):では、NASA の話に少し戻りますが、NASA が他の惑星で生命を探す際に探すべきだと思われるものはありますか?それとも、思いつく限り最も輝かしく、豊かで、豊かな分類法を求めるべきなのでしょうか?
ヘイゼン (10:46):あはは！なぜ両方ではない？なぜなら、あなたはそれについて考えます。私たちが予感していることの1つは、居住性です。それは、温度、圧力、組成の範囲のようなものです。水が豊富な世界、太陽に照らされた世界では、エネルギーが必要であり、化学システムが興味深いことを行うためのさまざまな基準が必要です。もしそうなら、もしそうなら、すべてが溶けているか、蒸気であるなら、それはあまりにも熱すぎる.冥王星のようにすべてが凍りつき、何も動かない場合、それは寒すぎるように思えます。ですから、いくつかのスイートスポットがあると思います。液体の水やその他の流体など、探すことができるものはあると思いますが、実際に機能していると思われるのは水だけです。
(11:28) 炭素ベースの分子を探す必要があります。炭素は、私たちが生命と考えるものの構造に必要な種類の豊富なバックボーンを形成する唯一の要素のように思われるからです。そして、私はクラウドベースの生活や、ご存知のように、電子生活、プラズマ中の生活などを本当に信じていません。つまり、必要な種類の構造が見えないということです。それは、私が生きているシステムの複雑さとして考えていることを綴っています。パラメータがあり、それが NASA が探しているものです。水が豊富な世界を探しましょう。適切な種類の温度と圧力、および大気組成を持つ世界を探しましょう。そして、岩石や鉱物は実に興味深い役割を果たしています。そして、それらは炭素に加えてあらゆる種類の化学元素を提供します。これは、複雑な化学システムに不可欠である可能性があります.
ストロガッツ (12:21):少し個人的な話をさせていただければ、キャリアを終える前に答えてもらいたい個人的な好きなことがあると思います。私たちと共有したいこと、あなたを最も困惑させていること、または私たちがもっと手がかりを得ることを望んでいる一種の夢の質問はありますか?
ヘイゼン (12:37):火星から持ち帰られた微生物を見たいです。異なる生化学、異なる遺伝子コードを持つ微生物は、それが話の一部であるとすれば、それは第二の起源と呼ばれるものがあったことを示しているからです.生命の起源のビジネスにおける第二の起源は、生命が複数回発生したことを意味します。そして、ご存知のように、宇宙には「0、1、多数」という古い格言があります。退屈な人生はありませんが、それが真実ではないことはわかっています。1 つの例があるからです。 2 番目の例を見つけるとすぐに、特にそれが太陽系にある場合は、生命がどこにでもあることがわかります。それはちょうど発生するだけなので、地球型惑星で玄武岩が形成されるのと同じくらい自然です。生命は、必然的に起こる別の化学プロセスです
(13:24) それが本当かどうかはわかりません。そして、それが私が知りたいことです。人生は避けられない結果だったことを知りたいです。そしてご存知のように、私がキャリアの大部分を生命の起源の側面を研究することに費やしてきたという事実は、私がその分野に哲学的に旗を立てたことを意味します.もし生命がまったく起こらなかった、あるいは宇宙の全歴史の中でたった一度しか起こらなかったなら、その起源を研究しようとしても無駄です。それが信じられないほどまれな偶然の出来事であり、適切な岩と水と化学物質などの並置によってのみ発生し、10億個の惑星に1個しか発生しない場合、繰り返しになりますが、再現することはできません.それを実験室で。たとえよくあることだとしても、それが始まるまでに1億年かかるとはいえ、ポスドクの4年間でそれを行うのは本当に、本当に難しいでしょう。ですから、トリックを見つけたら、それは実験室で実際にできることだと思いたいと思います.
ストロガッツ (14:22):ええ、それはとても魅力的な質問です。つまり、この不思議について考えたことのある人なら誰でも — これについてフランシス・クリックの本 Life Itself を読んだことを覚えています。 彼が指示されたパンスペルミアについて話しているところで。私は彼の本を読むまで、生命が自然発生する可能性が十分に小さい場合、私たちは本当に孤独になる可能性があるということを真剣に受け止めたことはありませんでした.つまり、ある種のコペルニクス的根拠に基づいて、私たちは決して特別なものではないということです。もちろん、他の太陽系に惑星が見つかるとすぐに、生命が存在するに違いないと私はいつも信じていました。つまり、私たちが宇宙で唯一の生命体であると考えるのは傲慢に思えます。しかし、論理的には、あなたが言うように、確率が非常に小さい可能性があることはわかりません。私たちだけかもしれません.
ヘイゼン (15:05):スティーブ、その通りです。私たちだけかもしれません。または、天の川銀河には数千または数百万の他の生きている世界があるかもしれませんが、それらは非常に遠くにあり、コミュニケーションが取れていないため、私たちは決して知りません.しかし、これは問題だと思います。答えが私たちだけではないということであれば、それは私たちがいつか学ぶことを実際に望むことができるものだと思います.否定的なことを証明するのは本当に難しいでしょう。しかし、あなたがする必要があるのは、もう 1 つの生きている世界を見つけることだけです。そうすれば、宇宙の仕組みについて非常に深い洞察が得られます.
ストロガッツ (15:39):うわー。宇宙思想です。ご存知のように、ここでの生活がどれほど早く始まったかに、私は一種の勇気づけられています。地質学といえば、地質学的な観点で考えてみましょう。大まかに言えば、地球の年齢と、生命が満ち始めるまでの時間を教えてください。
ヘイゼン (15:56):はい。つまり、地球は 45 億 6700 万年前に形成され始めました。そして、最初の期間は居住できませんでした。それは数千万年の間居住可能な窓を持っていたかもしれません、そしてその巨大な衝突、月を形成したTheia衝突、そしてそれはちょうどすべてを滑らかにしました — 惑星全体が赤く輝くマグマの海に囲まれていました.暑い、それは冷やす必要がありました。つまり、それは 44 億 5000 万年前のことで、おそらく 4.4 年前のことだと思います。しかし、それは私たちが考えることができる極端な開始日です。そして、3.8までに、生命が十分に確立されたことを私たちは知っています.私たちにはストロマトライトがあり、明らかにそこにあった他の生命の兆候があります.
(16:47) つまり、これは 6 億年のブロックですが、生命ははるかに、はるかに早く始まったと思います。しかし、それは推測です。おそらく、プロセスが発生するのに数百万年または数千万年かかると思います.もしそれが起こるとしたら、ご存知のように、化学、地球の広大な表面積、何百万年もの遊びがあり、あらゆる種類の化学システムとフラックスがあります。そのため、地球は化学の優れた実験室です。そして、地球の表面全体で何億年も遊んでいます。うわー、それはあなたが試すことができる化学物質の多くの組み合わせです.そこから命が吹き出します。
ストロガッツ (17:25):あなたがここで私たちに与えてくれるのは本当に素晴らしいビジョンです。現在、地質学、鉱物学、化学だけでなく、この影響の話で天文学も取り入れています。たぶん、それを少しだけ拡張しますか？テイアのこの考えを聞いたことがあるかどうかは定かではありません — あなたは月の起源、月がどこから来たかについて話している.
ヘイゼン (17:44):月の起源ですね。地球が最初に形成されたとき、それは一種の太陽系のダンスでした。あなたは重力的に貪欲なこれらすべての体を持っていました、そしてそれらは掃除機のように、すべての小さな世界を一掃し続けました.というわけで、このゲームでは常に体が大きい方が勝ち。質量が最も多いものは何でも勝ちます。そして、数千万年の間、地球はおそらく火星ほどの大きさの別の小さな天体と競合していたという計算が私が見たものです。そして、これらの2つの体は、お互いに近づき、キスをすることはありませんでした。しかし、ある非常に劇的な日、ある非常に劇的な瞬間に、彼らは衝突しました。
(18:28) Theia と呼ばれる小さな体は、ギリシャ神話の月の母です。テイアが地球に衝突。すべての材料のこの壮大なミキシングとマッシングとベーキングがあります.そして、残ったものの一部が月になり、残ったものの一部が地球の一部になります。そして、衝突の際に表面から吹き飛ばされた物質の塊が月に統合されます。そして、空にこの美しい物体があります。ちなみに、当時はずっとずっと近かった。月はおそらく数万マイルしか離れていなかったため、空では非常に大きく見え、潮汐の影響も大きかった.しかし、月は徐々に遠ざかっています — 今日のように。そして、それは地球の表面全体の状態を変化させます。その衝突の直後、地球は住めない状態でした。しかし、その後事態は落ち着きました。早い段階で大きな潮が満ち、月が空に輝き、年々遠ざかり、数千万年から数億年のどこかで、生命が誕生しました。
ストロガッツ (19:40):ありがとう、ボブ、これはとても興味深いものでした。つまり、実際には、これらの相互作用について考えると、本当に驚くべきことです — まあ、学校で習う教科の名前を言いたくなります:天文学、地質学、鉱物学、化学、生物学、しかしあなたがそれを言う方法、それは本当に美しい大きな物語の 1 つにすぎません。要約する方法がわかりません。あなたは何と言うでしょう？私の文の終わりは何ですか?
ヘイゼン (20:02):スティーブ、これは 1 つの統合された知識の網です。それは、人間が自然界を見るためのこの最も注目すべき方法として科学を知る方法です.化学、地質学、物理学、天文学、生物学を別々のものとして考えないでください。しかし、それは相互接続された 1 つのウェブであり、この驚くべき進化のプロセス、惑星と月の進化、太陽系の進化、そして生命の起源と進化を見ることができます。
ストロガッツ (20:30):ありがとう、ボブ、今日は参加してくれてありがとう。
ヘイゼン :ありがとう、スティーブ。
アナウンサー (20:37):数学、物理学、コンピューター サイエンス、生物学の最前線で何が起こっているか知りたいですか? Quanta Magazine に巻き込まれる 、シモンズ財団が支援する編集的に独立した出版物。私たちの使命は、公共サービスのジャーナリズムを通じて基礎科学と数学の研究に光を当てることです。 quantamamagazine.org にアクセスしてください。
ストロガッツ (21:02):先ほど聞いたように、Bob Hazen は生命の厳密な定義の有用性に疑問を呈し、代わりに複雑な挙動を示す興味深い化学システムの特性を特定することを好みます。次のゲストは、生命を模倣する細胞について長い時間をかけて考えてきました。生命とは何かを考えるとき、彼は進化が探すのに満足できるものであることに同意します。繁殖能力も同様です。しかし、これらの基準は、私たちが人生について話すときに何を意味するかを完全に捉えているわけではありません.彼にとって、生命とは何かをより広く理解することには、生物が時間をかけて存続し、他の生物と相互作用する能力が含まれます。 Sheref Mansy は、アルバータ大学化学科の化学教授です。彼は今私に加わります。ようこそ。
シェレフ・マンシー (21:49):お招きいただきありがとうございます。
ストロガッツ (21:50):本当に嬉しいです。私はあなたの仕事について聞いてとても興奮しています.では、生命を定義しようとするこの厄介な問題から始めましょう。あなたが行った他のインタビューで、人生を定義しようとするこの問題について相反する感情を持っていると言っていると聞きました。どういう意味ですか?
マンシー (22:09):つまり、人生とは何かを明確にしようとするのに時間をかける価値さえないだろうと人々が言うとき、私は批判を理解しています.私は、この分野の同僚の何人かが、ちょっと挑発的なことを言うことがあります。たとえば、人生は詩人のためだけの用語であり、科学者はそれを使用するビジネスはありません。もちろん、これらのことは気を散らすように見えるかもしれません。しかし同時に、何かを作ろうとしている科学者が世界中にいるのに、何を作ろうとしているのかさえ言えないというのは本当に奇妙だと思います。そして、そのようなシナリオでどのように進歩しますか?
ストロガッツ (22:44):では、何がそんなに難しいのでしょうか?つまり、あなたは私たちに説明してくれるかもしれません。なぜなら、平均的な人は、「私は何かを認識しています。これは、話しているときに私の前にある机です。それは生きていません。」
マンシー (22:55):大きな問題は、誰かが生命の定義を提案するたびに、その定義に当てはまらない生きていると明確に認識されている何かの例を提示できる人が常にいるということだと思います、またはその逆でさえ、定義に合っているように見えますが、生きていないものです。つまり、ラバのような典型的な例を思いつくことができます。ご存知のように、非常に多くの人が、なぜ自分のデスクが生きていないのかと尋ねるでしょう。彼らは、「まあ、それは繁殖しません。生物は繁殖することができます」と言うでしょう。しかし、ラバのように、明らかに誰もが生きていると思っているが、子孫を残すことができない生物の例があります.
(23:30) そして、反対のゲームをプレイすることもできます。ですから、塩の結晶については、多くの結晶学者がいます。そして、結晶学者がより多くの結晶を成長させるために使用するトリックの1つは、古い結晶を粉砕し、古い結晶の小さな破片を使用して新しい結晶の成長の種をまくことです。それは塩だけでもできますが、タンパク質は必要ありません。これが複製の例です。でも、誰もだまされていませんよね？塩の結晶を複製することを生きていると混同する人はいません。
ストロガッツ (23:57):そうですね。したがって、明確な境界を設定するのはあまり役に立たないかもしれません。または、例外を見つけ続けることができるように見えるので、人生の必要十分条件を明確にすること。でもその反面、おっしゃる通り、他の惑星で生命を探す場合、探しているものの概念がなければ、生命を探すのは難しいように感じます。それで、その目的のために、あなたはこれ、この長期にわたる持続性の基準について言及しました。少し開梱していただけないでしょうか。
マンシー (24:27):基本的に、すべてのものは無秩序に向かう傾向がありますよね?それは一種の熱力学第二法則です。そして、生物は平衡を欠いた化学システムです。そのため、もしそれらが生きていなければ、無秩序な構成部分に戻って崩壊するだけです.それは基本的に私たちが死と呼ぶものですよね？平衡は本質的に死に等しい.
(24:46):では、これらのプロセスとは何ですか?生命の背後にある化学と物理学とは、生命を本質的に常に平衡状態から外し、その状態、高度に秩序化された一種の熱力学的に好ましくない状態を長期にわたって維持することができるものでしょうか?明らかに、それは永遠ではありません。残念ながら、ある時点で死ぬことはあります。しかし、それは新陳代謝と呼ぶことができる側面です。しかし、多くの場合、人々が代謝という言葉を使用するとき、実際にはこの角度について考えていません.彼らは分子 A が分子 B に変換され、次に分子 C に変換されるという観点でより多くのことを考えています。平衡状態から抜け出し、この高度に秩序化された状態を長期間維持します。
ストロガッツ (25:30):ですから、私たちがセルラー チューリング テストと呼ぶことができるものについて、研究室で過去数年間にあなたが行った研究についてお話ししたいと思います。それについてどう思いますか？つまり、背景を教えてください。チューリングテストとは？その日、それは何をしようとしていたのですか？それから、それを人生の世界に適応させたことについて話しましょう。
マンシー (25:50):はい。つまり、このアイデアを思いついたのは私が最初ではなかったということです。論文があります — ご存知のように、私の恐ろしい記憶をすべて強調しているだけです。それは Nature Biotechnology にあったと思います または 自然 そこでは多くの英国の科学者が集まって、これはおそらく、生命の定義の欠如に対処して進歩を助けるための1つの方法になる可能性があると述べました.そして、彼らはこの論文でセルラーチューリングテストを提案しました。そして、それは私が見たときに思ったものの 1 つにすぎませんでした。ラボでこれらの部品を実際に組み立てて、そこでモデル システムを完成させようとすることができると思います.
(26:23) つまり、全体的な考え方は、私が取り組んでいない人工知能の分野にも同じ種類の問題が存在していたということです。できる。しかし、基本的には同じ種類の問題でした — 私の理解では、同じ種類の問題です。そもそも知性を定義することさえできないのに、機械やコンピュータープログラムが知性を示しているかどうかをどうやって知ることができるでしょうか?彼らは、私の分野で私たちが持っているのと同じ愚かな議論をしていました。正しい定義とは何か、正確にはどのような種類の実験を行うべきかについて、行ったり来たりしました。したがって、チューリングが本質的に提案したのは、この愚かな戦いを忘れて、機能テストを考え出すことです。このテストに合格した場合、知性を定義したわけではありませんが、少なくとも正しい方向に進んでいることになります。
(27:09) それで、私はいつも、ある種の非常に現代的な、できれば現代的な見方をしています。ご存知のように、あなたが携帯電話を使用していて、友人とチャットしたり、友人とテキストメッセージを送信したりしていて、友人がコンピュータープログラムに置き換えられていると想像してください.友達とチャットしていないことを理解または認識することができますか?したがって、友人と、友人の代わりを務めたコンピュータ プログラムとを区別できない場合は、本質的に合格したことになります。あなたがチューリングテストに合格した、マシンまたはプログラムが合格した。そして、あなたが友達とおしゃべりをしていると思い込ませることに成功しました。つまり、私たちは、あなたが定義を思いつくことを避けた方法でした。
(27:48) 逆の状況も有益ですよね?失敗した場合、なぜ失敗したのかは関係ありません。応答時間が少し奇妙で、語彙が友達の話し方とは異なるため、最初からやり直して、より良いプログラムまたはより良いマシン。
(28:02) 基本的に、それが私たちのプロジェクトのいくつかのインスピレーションでした。自然の生きた細胞が行うのと同じ種類の化学的コミュニケーションを行うことができる人工細胞を構築し、自然な細胞をだまして、隣人に話していると思わせることができるかどうかを私たちはちょうど見ていました。ラボで構築したものとは対照的です。
ストロガッツ (28:22):本当に素晴らしい、とてもエレガントなアイデアです。しかし、生きている細胞をこれらの人工細胞に騙すというのは、実に興味深い考えです。つまり、あなたはこの方向で一連の実験を行ったようですね。それらのいくつかは何ですか?
Mansy (28:36):So, lots of bacteria — we started off with bacteria, we figured that would be the easiest thing to do, and it’s also closer to the types of stuff I had done in the past. And so bacteria, they engage in chemical communication. Many of them exploit these small molecules called acyl-homoserine lactones. And so we figured, you know, these pathways are pretty well-known. People had engineered bacteria to talk to each other using these same known pathways. So we figured, you know, we should be able to reconstruct these same things in an artificial cell. So that was basically the goal.
(29:07) It turned out, as you know, always in science, to be a bit more challenging than we had anticipated. The synthesis and release of chemical signals from our artificial cells to natural cells was not difficult. I think we never failed in that. Every time we tried to reconstitute a known system in our artificial cells, that always worked. The part that was difficult was being able to sense the living cells through the molecules that they secrete. And I don’t have a good answer as to why that’s difficult. But you know, we’re bad comedians, I suppose, but I guess, as many couples would say, it’s, you know, it’s much easier to talk than to listen or to hear your partner. And so I think that’s the same thing with these artificial cells. It’s easier to engineer these things to talk than it is to listen.
(29:50) But we essentially never failed in speaking, you know, making artificial cells speak by synthesizing or releasing molecules. Getting them to hear was a lot more difficult, and the best one that we were able to reconstitute was the system that was taken from Vibrio fischeri . So it’s just, you know, a marine organism that naturally bioluminesces. And that was the pathway that we were able to fully reconstitute. But basically, in the ends, we were able to put these pieces inside of lipid vesicles to mimic, sort of morphologically somewhat, a cell. And if you take something like Vibrio fischeri , which naturally luminesces when it talks to each other, so when they reach a certain cell density, they know they’ve reached that density through communication with each other, they luminesce. So it’s a very simple kind of qualitative test. And so if we take this bacteria, and we grow them to half the density that they need to be to luminesce, and then we dump in our artificial cells to make up for the missing natural cells, they light up. We did do, you know, fancier experiments than that, but that was probably the most satisfying experiment, because at least visually, we could see right away that we were on the right track.
ストロガッツ (30:59):Okay. And the main point that you mentioned, I think, was that when there was a high enough density of them, they could act as surrogates for the bacteria, that — I mean, they could fool the bacteria into thinking that the quorum had been achieved, and therefore the living ones would light up. But these cells, these artificial cells, tell me more about them. They’re lipid vesicles. Do they have anything inside them?
Mansy (31:22):Yes. So they are lipid vesicles, fat molecules. They have an internal, let’s say lumen or internal aqueous space. And inside of there, we put the DNA constructs that we’ve engineered, you know. I don’t want to make it sound too fancy, because these are not huge genomes, but we do put, you know, engineered pieces of DNA inside that encodes for the function that we are — we’ve set out to achieve, which in this case was sensing, synthesizing and releasing chemical messages. Then we have to also put in the machinery that’s necessary for transcription and translation. So it’s to convert the information in DNA to RNA, and then that information, of course, into protein, which, you know, will have the enzymatic activity that we require for our cells. In these specific experiments of the cellular Turing test, we did use transcription and translation machinery that came from extracts of E.大腸菌 . So these are somewhat ill-defined mixtures.
ストロガッツ (32:15):Oh, yeah. That’s beautiful. I really like what you were just saying there. And I think that’s a very deep point that doesn’t get emphasized enough, the communal aspect of early life. We have spoken with other guests about the possibility of the massive horizontal gene transfer in very early life. I don’t know, maybe I’m getting carried away, but I like your thought that communication is really early and deep in the story of life, maybe deeper even than, than what we think of as evolution today, for the most part.
Mansy (32:15):And our system was incapable of growing and dividing, all it could do was essentially, you know, listen and speak. That’s all we programmed it to do. To give it more, you know, to endow it with more functionality would certainly take a lot more effort. But nevertheless, you know, I mean, I would say for this one specific task, which I think is a quite important aspect of life, by the way, something that doesn’t often pop up in definitions of life, this ability to organize and communicate with your neighbors. You know, my guess is this came really, really early. So I don’t think that we hit upon some sort of trick here. I mean, I think we are looking at something that is important, because we tend to look at life as really just these individual units, you know, can I build an actual, you know, one single cell or something along those lines, but I don’t think that’s how life works at all. You know, I mean, it is a community affair. Evolution, by definition basically, is a community type of process. If we find life on another planet, we’re not going to find just, like, one organism or one cell. I mean, these things don’t make sense, right? That’s not how biology works.
(33:46) I mean, I have to admit, in my head, I hadn’t really thought of it in exactly that way. I tend, I mean, I guess, you know, we all come at these things with our own biases. And mine, typically, is that I think that a lot of the stuff that we see as coming at different times, probably pieces of it were there from the beginning and emerged together. Because I tend to look at biology as being so incredibly complex. I don’t, I guess I just don’t see biology modular, the way I think a lot of people who try to engineer, you know, in the field of synthetic biology, they’re always trying to sort of put together, and they love using the analogies of Lego pieces and things like that. Which of course, in some ways we incorporate some of the stuff that they do. But I don’t really see biology as being modular. I see it as a very messy, intricate, you know, network of things that probably reflects its origins, you know, probably lots of these different processes that were necessary had to come up around the same time. Otherwise, it just wouldn’t have survived.
ストロガッツ (34:39):So on this early question that we were posing, about what is life, it sounds like you already hinted at this in a remark you made a few minutes ago that you would not have considered your, your artificial cells to be alive, but they had some of the functionality, right? You say, they had some of the important functions, but you pointed out, they couldn’t reproduce. What else could they not do?
Mansy (35:02):The thing that I find the most frustrating about these systems that we’ve built is they can basically listen once and then respond, or speak once. They’re, they’re not able to engage in a longer conversation, let’s say. And that is something that frustrates me. That reflects, in large part, what I was talking about before, this concept of persistence over time. It lacks a supporting metabolism to sustain this activity, to have turnover, you know, to degrade the molecules that were being used for talking and synthesize new ones. And just being able to sense once and respond once, to me, is not sufficient. If you want to make something that better mimics life, it’s got to persist for longer than that. And if you wanted to use this as a platform, you know, for some sort of technology, I think it would need to survive more than a couple of hours.
ストロガッツ (35:52):So that gets us into something that I was hoping we could explore together, about this idea that you mentioned, a platform. Please tell us about some of these fascinating studies that you and your group did recently with artificial cells trying to interact with neurons.
Mansy (36:07):If you think about communication, chemical communication, I mean, I would imagine that lots of people, the first thing that pops to their mind, is signal transduction through neurons. And of course, that’s — that’s true, right? And so for us, for a long time, even when we were working on a cellular Turing test, we really liked this idea. Could we build — I mean, I would not call it an artificial neuron, because it’s way too far from that, but something that can engage in communication with neurons? And that’s not just fun intellectually, but I think that also has possibilities for technologies, right? I mean, there are lots of diseases, neurodegenerative diseases like Parkinson’s disease, where essentially, your neurotransmitters like dopamine are not being produced as you get older. And, you know, if you built artificial cells that can sense the concentrations of dopamine, for example, and then synthesize more dopamine whenever the levels get too low, you know, that sounds like a fantastic therapy. You wouldn’t have to sort of flood the patients with tons of drug molecules that may or may not cross the blood-brain barrier and get to where you want to go. You could have artificial cells that are targeted to different parts of the body. Again, there’s a lot of work to get there.
(37:13) And then very locally, you know, whenever the concentrations drop below what’s needed, they can replenish the supplies. They sound really attractive. But again, I think this persistence problem, that, while I find it interesting from a more, let’s say, intellectual perspective on what is life, has very practical implications as well. I mean, what’s the point of taking an artificial cell into your body if it just, you know, falls apart almost immediately?
ストロガッツ (37:36):As you say, if this artificial cell could exist and thrive for a certain amount of time, and do smart things like sense whether a cancer cell is present, and if so what molecules, what chemotherapeutic agents to dump on that one — we’re not there yet, it sounds like, but that’s the vision, right? That’s the dream, maybe?
Mansy (37:56):Yes, yes, yes, yes. I mean, to be able to encode multiple outputs, obviously, you know, and to increase the capacity for synthesis so that you can actually carry out whatever, you know, the synthesis for whatever drug molecules you need, that I think would just be insanely satisfying.
ストロガッツ (38:11):And an interesting example of how fundamental thinking about research, like, you might be really driven by your curiosity about origin of life, or thinking about this deep question of what does it mean to be alive or not alive? And then, out of that pure curiosity-driven research comes these fantastic biomedical applications. It’s not far-fetched, I think.
Mansy (38:31):For a long time, I mean, I would run into colleagues that did neurobiology, and this kept popping up over and over again. So we built artificial cells because of the difficulty in sensing stuff. We had them sense the same sort of molecule that would have been secreted from bacteria. So in that sense, the listening component was, you know, listening to bacteria talk. But in response, it could talk to neurons, and so what we actually did was, they were neural stem cells. And this was done in collaboration with three different biology labs, because I have no experience with eukaryotic biology or doing any sort of tissue culture stuff. So this, you know, took a dedicated Ph.D. student, his name is Duhan Toparlak. Basically, these artificial cells could synthesize and release brain-derived neurotrophic factor, which is a neurotrophic factor, as the name suggests, that impacts the differentiation of neurons into, from immature to, let’s say, mature neural cells. So we took these neural stem cells, we incubated them with our artificial cells, we added the molecule that bacteria would secrete, we didn’t actually mix bacteria with the neurons. So it was sensing this molecule in the environment and in response, synthesized and released something that guided, in some sense, the differentiation of neural stem cells. So that’s what we did. It, in some sense, sounds like we did less in some ways than we did with the cellular Turing test. But it took four or five years actually, to get that to work.
ストロガッツ (40:05):I see. So really, what’s going on in the experiment is there’s artificial cells, there’s neural stem cells, and there’s you dumping in the thing that’s telling these artificial cells, “hey, say something. Say something helpful to make the neurons grow and differentiate.”
Mansy (40:22):Exactly.
ストロガッツ :And you did it. I mean, sounds like this was a hard experiment from the way you’re describing it.
Mansy :Yeah, painful process. But in the end, we got it to work.
ストロガッツ :Well, thank you, Sheref. This was super interesting, and I really appreciate your taking the time to talk to us today.
Mansy :It was a lot of fun. Thank you for having me.
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