Ksenoboty i naturalna selekcja. Czym są "żywe roboty"?

Chociaż termin "żywych robotów" brzmi nieswojo i nienaturalnie, to warto przypomnieć genezę słowa "robot", rok 1921 i sztukę "R.U.R." czeskiego dramaturga Karela Ĉapka. Uniwersalne roboty Rossuma były manifestacją pragnienia stworzenia sztucznych ludzi - na wzór Frankensteina Mary Shelley. Sto lat później już wiemy, że robot wcale nie musi oznaczać maszyny złożonej ze stali i elektroniki, a może opierać się na żywych tkankach. I bynajmniej nie mówimy o cyborgach wyjętych rodem z filmów SF.

O pierwszych ksenobotach świat usłyszał na początku 2020 r. Stworzone przez zespół uczonych z Uniwersytetu Tufts pod kierownictwem dr. Douglasa Blackstone’a i czujnym okiem DARPA, składały się z komórek skóry i mięśnia sercowego w stadium blastuli, pobranych od afrykańskiej żaby platany szponiastej (Xenopus laevis). Ich rozmiar nie przekraczał jednego milimetra, choć potwierdzono pierwsze przypadki samoczynnej replikacji. Ksenoboty zostały zaprojektowane przez algorytm komputerowy i ręcznie "zbudowane" przez naukowców, których celem było sprawdzenie, czy taki organizm może chodzić.

Kiedy ksenobotom pozwolono rozwijać się niezależnie od wskazówek algorytmu, zaczęły tworzyć zupełnie nowe schematy ciała. Na ich powierzchni wyrosły podobne do włosów ruchliwe rzęski, które zwykle spotykamy w nabłonku płuc lub nosa. Dla ksenobotów rzęski były bardziej jak kończyny - pozwalając syntetycznym organizmom na poruszanie się. Zamiast tworzyć kijankę, komórki macierzyste niejako "przeskoczyły" kilka etapów ewolucji, tworząc spontaniczne struktury.

Naukowcy postanowili wykorzystać sztuczną inteligencję do usprawnienia ich projektu. W ten sposób powstawały ksenoboty o kształcie Pacmana ze wcięciami przypominającymi usta. Oficjalnie określono je trzecią generacją ksenobotów i zaobserwowano jeszcze jedną niespodziankę - gromadzenie setek komórek macierzystych w okolicach "ust", które mogły formować nowe generacje ksenobotów. Innymi słowy - wykształciły całkiem nowy sposób rozmnażania, niepodobny do tego, co obserwujemy w naturze. To pokazuje, że życie na Ziemi jest w stanie wyewoluować nawet z najbardziej niespodziewanych struktur. Jakie są ich granice? Trudno powiedzieć. Wiadomo natomiast, że ksenoboty są niedoskonałym organizmem - chociaż spełniają większość kryteriów definicji życia, ich reprodukcja polega na tworzeniu "funkcjonalnych kopii", które zachowują się w ten sam sposób - nie są jednak identyczne.

Niesamowite jest to, że ewolucja ksenobotów to miniaturowa wersja procesu, który zachodzi w znacznie większej skali - gdy organizmy twórczo reagują na presję środowiskową. Od 30 000 lat - czyli momentu udomowienia psów - w tym ewolucyjnym równaniu bierzemy udział również i my. Połączenie uprzemysłowionego rolnictwa, urbanizacji i zmian klimatycznych tworzy potężną presję selekcyjną. Człowiek jest obecnie największym motorem napędowym ewolucji - dla innych gatunków i dla samego siebie.

Ewolucja jest powolna, zwłaszcza w przypadku dużych zwierząt. Przez to właśnie wiele z nich nie jest w stanie przystosować się wystarczająco szybko, aby poradzić sobie ze zmieniającym się światem. Tempo wymierania jest obecnie nawet 1000 razy wyższe od tempa, w jakim gatunki znikałyby bez ingerencji człowieka. Co chwilę słyszymy o tym, że jakiś gatunek dołącza do czerwonej księgi gatunków zagrożonych, publikowanej przez Międzynarodową Unię Ochrony Przyrody (IUCN), a będzie jeszcze gorzej.

Ciekawym przykładem dostosowywania się do zmian są mikroewolucje, które zachodzą w mniejszej skali i mogą pojawiać się w ciągu zaledwie kilku pokoleń. Prawdopodobnie najbardziej znanym przykładem jest krępak nabrzozak, który zmienił ubarwienie z białego na czarne w odpowiedzi na sadzę i zanieczyszczenie powietrza produkowane podczas rewolucji przemysłowej w Wielkiej Brytanii. Udało się namierzyć mutację genetyczną, która spowodowała zmianę koloru i obliczono, że nastąpiła ona w 1819 r. Przemysłowy melanizm krępaka nabrzozaka to idealny przykład selekcji nienaturalnej. Dzisiaj podlegają jej organizmy żywe na całej planecie - zmiany zaobserwowano na wszystkich kontynentach, poza Antarktydą. Adaptacje biologiczne w odpowiedzi na selekcję nienaturalną to prawdziwa manifestacja siły przyrody. Przykłady można mnożyć.

Entomolodzy z Uniwersytetu w Maryland wykazali, że pszczoły miodne żyją dzisiaj aż o połowę krócej niż 50 lat temu, co ma związek z większym stężeniem zanieczyszczeń w powietrzu. Z kolei zambijskie słonie rodzą się bez ciosów - to ułatwia im przeżycie, bo nie są potencjalnym celem kłusowników. Węże morskie w Papui Nowej Gwinei wykształciły ciemniejsze ciała i częściej zrzucają skórę w odpowiedzi na toksyny w wodach zanieczyszczonych cynkiem, a w strefie wokół Czarnobylskiej Elektrowni Jądrowej coraz częściej pojawiają się ciemne (czasami wręcz czarne) żaby - z większym stężeniem melaniny, barwnika, który chroni przed negatywnymi skutki promieniowania.

Niestety, nie zawsze jesteśmy w stanie stwierdzić, z czego wynika dana zmiana - czy jest to odpowiedź na stresor, czy też może początek kladogenezy, kiedy to tworzą się odrębne populacje. Łabędzie unikające miast różnią się genetycznie od tych, które zbliżają się do człowieka. Jeden z gatunków komarów ewoluował do życia w tunelach londyńskiego metra i stracił zdolność do rozmnażania się ze swoimi kuzynami żyjącymi na powierzchni, co może być przykładem tworzenia zupełnie nowej niszy i możliwości specjacji.

Masa plastiku na Ziemi jest obecnie większa niż cała żywa biomasa, a aż 36 proc. powierzchni naszej planety to tereny rolnicze, więc musimy mieć świadomość konsekwencji swoich działań. Ekolodzy alarmują, że niszcząc bioróżnorodność, zabijamy samych siebie. Dokonujemy ekstremalnych zmian środowiskowych, wkraczając na tereny, które przez setki tysięcy lat pozostawały zielone. Przybliża to nas do kolejnego wielkiego wymierania, ale i do świata zdefiniowanego przez organizmy żywe (rośliny i zwierzęta), które najlepiej tolerują największy stresor ze wszystkich - nas.

Jak na ironię, przyspieszamy ewolucję innych gatunków, bo inne gatunki przyspieszyły naszą własną. Biomimikra stara się odwzorować zachowania i cechy innych organizmów, które mogą posłużyć nam samym - przecież najstarsze kamienne narzędzia to tak naprawdę kopia zębów drapieżników, a okrycia wierzchnie po dziś są inspirowane skórami zwierząt. Pomysłowość zwierząt oferuje nowe rozwiązania naszych najbardziej palących problemów środowiskowych. Biomimikra może pomóc w produkcji energii odnawialnej - począwszy od aerodynamicznych łopatek turbin wiatrowych, które naśladują powierzchnie płetw humbaków lub kształt skrzydeł kolibrów, po ogniwa fotowoltaiczne, które podążają za ruchem Słońca jak słoneczniki. Alternatywy dla betonu naśladują sposób, w jaki koralowce budują rafy, czerpiąc minerały z wody morskiej, jednocześnie zatrzymując nadmiar węgla w fundamentach i tkaninach budynków. Naturalne filtratory, takie jak ostrygi, mogą pomóc w odbudowie wyniszczonych siedlisk morskich.

Przydatne może być nawet podglądanie mikroorganizmów. Bakterie Ideonella sakaiensis wyewoluowały do metabolizowania tworzyw sztucznych, takich jak PET, a Methylorubrum extorquens wytwarzają białko, które może wiązać ameryk i kur - dwa najniebezpieczniejsze i najdłużej żyjące składniki odpadów jądrowych.

To wszystko sprowadza nas do kluczowego pytania. Skoro człowiek ma tak duży wpływ na przyrodę, to czy ksenoboty będą miały podobny? Naukowcy przekonują, że mogłyby one pomóc nam sprzątać cały "ten bałagan" - oceany, glebę, powietrze. Można je zbudować w taki sposób, aby wyczuwały konkretne związki chemiczne, uwalniające odpowiednie substancje w odpowiedzi na ich obecność. Nie wiemy, co przyniesie przyszłość, ale ksenoboty to dowód na ogromną plastyczność życia - niezależnie od tego, czy nazwiemy je "sztucznym", czy po prostu "innym".