Was ist Leben? Der Turing-Test könnte die Antwort liefern

Derzeit besteht unter Wissenschaftlern keine wirkliche Einigkeit über die Definition von Leben. Meistens denken wir vielleicht, dass Leben nichts weiter als lebende Organismen ist. Doch wann immer wir versuchen, Leben anhand bestimmter Standards zu definieren, tauchen immer Ausnahmen auf, die unsere Definition untergraben. Können wir jedoch ohne ein klares Verständnis des Lebens wirklich nach Leben auf anderen Planeten suchen oder die frühesten Stadien des Lebens auf diesem Planeten verstehen?

In seiner Sammlung „The Joy of Why“ diskutiert Steven Strogatz, Professor für angewandte Mathematik an der Cornell University, die wichtigsten wissenschaftlichen Fragen von heute mit relevanten Forschern. Unter dem Thema „Was ist Leben?“ interviewte Strogatz Sheref Mansy, einen Chemieprofessor an der University of Alberta in Kanada, dessen Perspektive uns beim Nachdenken über dieses Thema helfen kann.

Interview und Artikel | Steven Strogatz

Zusammenstellung | XZ

Links: Steven Strogatz; Rechts: Sheref Mansy

F: Es ist Ihnen eine Freude, unser Interview anzunehmen. Es gibt viele Widersprüche in den gegenwärtigen Ansichten über das Leben. Was denken Sie?

A: In meinem Bereich sagen einige meiner Kollegen manchmal extreme Worte. Manche sagen beispielsweise, dass der Begriff „Leben“ nur Dichtern gebührt und Wissenschaftler nicht dazu befugt seien, ihn zu verwenden. Dem stimme ich überhaupt nicht zu. Derzeit versuchen Wissenschaftler auf der ganzen Welt, etwas zu bauen. Doch wie kann die Wissenschaft in dieser Situation Fortschritte machen, wenn wir nicht einmal sagen können, was wir zu bauen versuchen?

Außerdem glaube ich, dass das größte Problem darin besteht, dass immer jemand, der eine Definition des Lebens vorschlägt, hervortritt und ein Beispiel liefert, um Einwände zu erheben. Manche Dinge gelten als lebendig, erfüllen aber nicht die Definition, während andere Dinge zwar der Definition zu entsprechen scheinen, aber als unbelebt gelten. Warum ist der Schreibtisch beispielsweise leblos? Die Antwort lautet normalerweise, dass Tabellen nicht reproduziert werden können und daher kein Leben haben. aber was ist mit unserem gewöhnlichen Maultier? Es ist außerdem nicht fortpflanzungsfähig, warum wird es also als lebendig betrachtet?

Oder wir können ein Beispiel aus der entgegengesetzten Richtung geben, etwa gewöhnliche Salzkristalle. Auf dem Gebiet der Kristallographie gewinnen die meisten Kristallographen Kristalle, indem sie diese in Stücke zerschlagen und die kleinen Fragmente dann zum Züchten neuer Kristalle verwenden. Dieses Phänomen mag wie Fortpflanzung aussehen, aber niemand würde Salz mit Leben in Verbindung bringen.

F: Es erscheint also nicht sehr sinnvoll, eine notwendige und hinreichende Bedingung für das Leben zu definieren oder klare Grenzen festzulegen, da es immer Ausnahmen geben kann. Aus einer anderen Perspektive betrachtet, müssen wir jedoch eine Definition von Leben haben, wenn wir Spuren von Leben auf anderen Planeten finden wollen. Was denkst du darüber?

A: Tatsächlich tendieren alle Dinge letztendlich zu einem Zustand der Unordnung. Die Biologie selbst ist ein unausgeglichenes chemisches System, ähnlich dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik (es ist für ein System unmöglich, Wärme aus einem einzigen Wärmereservoir aufzunehmen und diese vollständig in Arbeit umzuwandeln, ohne andere Effekte zu verursachen). Wenn Lebewesen ihre Vitalität verlieren, zerfallen sie bis zu einem gewissen Grad wieder in ihre ungeordneten Bestandteile, was wir als Tod bezeichnen. Können Lebewesen dauerhaft einen hochgeordneten Zustand aufrechterhalten? Die Antwort ist natürlich nein, das Leben endet immer mit dem Tod und kehrt in einen Zustand der Unordnung zurück.

Im Vergleich zu unbelebten Objekten kann lebende Materie über lange Zeiträume hinweg Dinge tun, beispielsweise sich bewegen und Informationen mit der Umgebung austauschen. Ein Organismus kann lange überleben, weil er einen schnellen Verfall in einen ungeordneten Zustand vermeidet, der ihn träge machen würde. Wie also vermeiden lebende Organismen diesen Verfall? Manche Leute würden diese Frage vielleicht mit dem Wort „Stoffwechsel“ beantworten, was bedeutet, dass Molekül A in Molekül B und dann in Molekül C umgewandelt wird. Doch wenn sie dieses Wort verwenden, scheinen sie nicht wirklich darüber nachzudenken, welche Tricks Organismen anwenden, um Unordnung zu vermeiden und diesen hochgeordneten Zustand über die Zeit aufrechtzuerhalten.

F: Ich habe gehört, dass Sie derzeit an einem Forschungsprojekt zum zellulären Turing-Test arbeiten. In welcher Beziehung steht dies zur Definition von Leben? Kannst du es mir vorstellen?

A: Natürlich. Der Turing-Test wurde ursprünglich im Bereich der künstlichen Intelligenz eingesetzt, wo das Testsubjekt (Maschine oder Mensch) eine Reihe von Fragen beantwortet, die ihm ein menschlicher Tester stellt. Wenn der menschliche Tester nicht erkennen kann, ob die Antworten von einem Menschen oder einer Maschine stammen, verfügt die Maschine über künstliche Intelligenz. Bei der Definition des Lebens können wir diesem Beispiel folgen. Stellen Sie sich vor, Sie spielen mit Ihrem Mobiltelefon, chatten oder schreiben mit Ihren Freunden und Ihr Freund wird durch ein Computerprogramm ersetzt. Können Sie irgendwelche Anomalien feststellen? Wenn Sie nicht zwischen Ihrem Freund und dem Computerprogramm unterscheiden können, das Ihren Freund ersetzt, hat die Maschine oder das Programm den Test bestanden und verfügt über das Potenzial, am Leben zu sein. Daher kann der Turing-Test eine Möglichkeit sein, Leben indirekt zu definieren.

Wenn der Test hingegen fehlschlägt, können Sie, egal aus welchem ​​Grund, immer feststellen, dass sich das Programm von dem Ihres Freundes unterscheidet. Dann müssen Sie zur Entwicklungsoberfläche zurückkehren und ein besseres Programm oder eine bessere Maschine entwickeln.

Der Turing-Test war für mich eine Inspiration: Könnten wir eine künstliche Zelle bauen, die eine lebende Zelle dazu bringen könnte, zu „denken“, dass sie mit einer anderen natürlichen lebenden Zelle kommuniziert, anstatt sie als „Nachahmer“ zu behandeln?

F: Es ist wirklich eine interessante Idee, lebende Zellen durch künstliche Zellen täuschen zu lassen. Welche Arbeiten haben Sie bisher in dieser Richtung durchgeführt?

A: Wir haben mit einfachen Organismen begonnen – Bakterien. In Bakterien sind Acylhomoserinlactone wichtige Moleküle, die an der Signalkommunikation beteiligt sind. Anschließend konstruierten die Forscher denselben Typ von Signalmolekülweg in künstlichen Bakterien und veranlassten diese, Homoserinlactone abzusondern, um mit den natürlich vorkommenden Bakterien zu kommunizieren. Daher besteht unser grundlegendes Ziel darin, mit einem ähnlichen Ansatz dasselbe in künstlichen Zellen nachzubilden.

Die Wissenschaft erweist sich immer als größere Herausforderung als erwartet. Obwohl wir bestimmte Signalmoleküle in künstlichen Zellen synthetisieren und freisetzen können, ist es für die freigesetzten Signalmoleküle schwierig, eine Reaktion anderer natürlicher Zellen hervorzurufen. Auf die Frage, warum es nicht reagiert, habe ich auch keine gute Antwort.

Das derzeit erfolgreichste System, das wir in künstlichen Zellen nachgebildet haben, ist der Lumineszenz-Signalweg in Vibrio fischeri, einem natürlich leuchtenden Meeresorganismus, der Licht aussendet, wenn seine Dichte ein bestimmtes Niveau erreicht. Wir haben einen einfachen Test dieses Systems durchgeführt: Zunächst haben wir die Komponenten der Genexpression in Lipidvesikel gegeben, um die Signalwege in Zellen bis zu einem gewissen Grad nachzuahmen. Anschließend kultivierten wir die Bakterien auf die Hälfte der für die Lumineszenz erforderlichen Dichte und fügten dann unsere künstlichen Zellen hinzu, um die fehlende Hälfte der natürlichen Zellen zu ersetzen. Als Ergebnis leuchteten alle natürlichen Zellen. Dies war das befriedigendste Experiment, das wir je gemacht haben, weil wir zumindest optisch den erwarteten Effekt erzielt haben.

F: Das heißt, wenn die Dichte dieser Bakterien hoch genug ist, können die künstlichen Zellen als Ersatz für die Bakterien fungieren und die Bakterien dazu „veranlassen“, sie als ihre eigene Art zu betrachten, sodass sie denken, dass die für die Lumineszenz erforderliche Dichte erreicht wurde, sodass die natürlichen Bakterien leuchten. Können Sie uns mehr über künstliche Zellen erzählen, beispielsweise darüber, was die Lipidvesikel enthalten?

A: In diese Vesikel geben wir die von uns konstruierten DNA-Fragmente, die verschiedene Moleküle im Signalweg kodieren können. Darüber hinaus fügen wir auch die für die Transkription und Translation notwendigen Elemente hinzu, die die Transkription von DNA in RNA und anschließende Translation in Protein fördern und so ihre Wirkung entfalten können. Im Rahmen des Cellular Turing Tests nutzten wir Transkriptions- und Translationselemente aus Escherichia coli-Extrakten zur Genexpression.

F: Im Turing-Testexperiment mit Zellen können wir die Bedeutung des Informationsaustauschs zwischen Zellen erkennen. Kann es als wichtiger Aspekt des Lebens angesehen werden?

A: Die künstlichen Zellen, die wir geschaffen haben, können sich nicht teilen und vermehren. Im Grunde können sie nur „Informationen“ senden und empfangen, um mit umliegenden Zellen zu kommunizieren. Obwohl diese Fähigkeit zur Informationsübermittlung nicht oft in der Definition von Leben vorkommt, glaube ich, dass sie ein wichtiges Merkmal organischen Lebens ist. Lebewesen treten oft nicht allein auf; die meisten von ihnen leben in Gruppen, ähnlich den Gemeinschaften unter Menschen. In der Gemeinschaft ist jede Person ein lebender Organismus, und diese lebenden Organismen kommunizieren miteinander, um die Stabilität der Gemeinschaft aufrechtzuerhalten. Wenn wir also Leben auf einem anderen Planeten entdecken würden, würden wir nicht nur einen Organismus oder eine Zelle finden, zumindest nicht aus biologischer Sicht.

F: Sie haben gerade gesagt, dass künstliche Zellen sich nicht teilen und vermehren können. Können sie trotzdem über einen langen Zeitraum funktionieren?

A: Leider kann man die Zellen, die wir herstellen, als „Wegwerfzellen“ bezeichnen. Sie können nur einmal mit natürlichen Zellen kommunizieren und kein längeres „Gespräch“ führen. Dies spiegelt auch weitgehend wider, was ich zuvor gesagt habe, nämlich dass das Leben im Lauf der Zeit weiter existiert. Ich war sehr frustriert, dass die künstlichen Zellen diese „soziale“ Aktivität durch ihren Stoffwechsel nicht über längere Zeit aufrechterhalten konnten. Damit künstliche Zellen lebende Organismen besser nachahmen können, müssen sie länger bestehen bleiben.

F: Können diese künstlichen Zellen mit Neuronen „interagieren“?

A: Wir haben dies bei der Durchführung des Cell-Turing-Tests berücksichtigt und ich denke, es ist möglich. Bei neurodegenerativen Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit nimmt die Dopaminproduktion der Patienten derzeit mit zunehmendem Alter allmählich ab. Wenn es möglich wäre, Zellen zu erzeugen, die den Dopaminspiegel messen und dann Dopamin synthetisieren könnten, wenn der Dopaminspiegel im Körper zu niedrig wäre, wäre dies eine gute Therapie. Bis dieses Ziel erreicht ist, bleibt jedoch noch viel zu tun.

F: Wenn künstliche Zellen über einen langen Zeitraum existieren und einige „intelligente“ Dinge tun können, wie etwa das Vorhandensein von Krebszellen erkennen, werden diese künstlichen Zellen, wenn die Zellen krebsartig werden, entsprechende Krebsmedikamente synthetisieren, um die Krebszellen zu eliminieren. Das ist eine wunderschöne Vision, nicht wahr?

A: Ja, wir haben ähnliche Experimente durchgeführt. Wir haben eine künstliche Zelle konstruiert, die den vom Gehirn stammenden neurotrophen Faktor synthetisieren und freisetzen kann. Wie der Name schon sagt, handelt es sich dabei um einen neurotrophen Faktor, der die Differenzierung von Neuronen vom unreifen zum reifen Zustand beeinflussen kann. Wir haben unreife Neuronen zusammen mit den künstlichen Zellen kultiviert und dann von Bakterien abgesonderte Signalmoleküle hinzugefügt. Die Ergebnisse zeigten, dass diese künstlichen Zellen dieses Signalmolekül wahrnehmen und darauf mit der Synthese und Freisetzung bestimmter Substanzen reagieren können, wodurch sie in gewisser Weise die Differenzierung neuronaler Stammzellen steuern. Dies scheint einfach, aber in Wirklichkeit dauerte es vier oder fünf Jahre, bis Ergebnisse sichtbar wurden.

Tatsächlich ist das Leben eines der komplexesten Phänomene in der Natur und weist verschiedene Merkmale auf, wie etwa Wachstum und Fortpflanzung, Vererbung und Evolution, Informationsaustausch, Stoffwechsel und die Unvermeidlichkeit des Todes. Es scheint, dass es kein einzelnes Attribut gibt, das das Leben definieren kann. Entweder sind die dem Leben zugeschriebenen Eigenschaften zu weit gefasst, sodass auch viele nicht lebende Systeme diese Merkmale aufweisen. oder sie sind zu spezifisch, sodass wir immer einige Gegenbeispiele finden können, die diese spezifischen Merkmale nicht erfüllen, und intuitiv urteilen können, dass dieses Gegenbeispiel lebendig ist. Daher bleibt die Interpretation des Lebens eine offene Frage.

Dieser Artikel ist ein Auszug aus:

https://www.quantamagazine.org/what-is-life-20220615/

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