Ученые создали «живых» роботов, способных воссоздавать себе подобных
Чтобы существовать, жизнь должна продолжаться и воспроизводиться. За миллиарды лет организмы развили множество способов размножения — от бутонизированных растений до половых животных и вирусов.
Теперь ученые из Университета Вермонта, Университета Тафтса и Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете открыли совершенно новую форму биологического воспроизведения и применили свое открытие для создания первых в мире самовоспроизводящихся живых роботов.
Та же команда, которая создала первых живых роботов («ксеноботов», созданных из клеток лягушки, о которых стало известно в 2020 году), обнаружила, что эти спроектированные компьютером и собранные вручную организмы могут плавать в своей крошечной «тарелке», находить отдельные клетки, собирать сотни их вместе и составлять «маленьких» ксеноботов внутри своего «рта» в форме Пакмана.
Через несколько дней они становятся новыми ксеноботами, которые выглядят и двигаются точно так же, как их «родители». Затем эти новые ксеноботы смогут искать клетки и создавать свои копии. Снова и снова.
Доктор философии, ученый-компьютерщик и эксперт по робототехнике из Университета Вермонта, который был одним из руководителей нового исследования, Джошуа Бонгард заявил: «При правильном дизайне они будут спонтанно самовоспроизводиться».
У лягушки Xenopus laevis эти эмбриональные клетки развиваются в кожу. «Они сидели бы снаружи головастика, не давая проникнуть патогенным микроорганизмам и перераспределяя слизь», — рассказал Майкл Левин, доктор философии, профессор биологии, директор Центра открытий Аллена в Университете Тафтса и соруководитель нового исследования.
«Но мы помещаем их в новый контекст. Мы даем им возможность переосмыслить свою многоклеточность», — отметил профессор. «Люди довольно долгое время думали, что разработали все способы, которыми можно воспроизводить жизнь. Но это то, чего раньше никогда не наблюдалось», — заявил Дуглас Блэкистон, доктор философии, старший научный сотрудник Университета Тафтса и Института Висса, который создал «родителей» ксеноботов и разработал биологическую часть нового исследования.
«Это глубоко. Эти клетки имеют геном лягушки, но, не превращаясь в головастиков, они используют свой коллективный разум и пластичность, чтобы сделать что-то поразительное. У нас есть полный неизменный геном лягушки, но это не намекает на то, что эти клетки могут работать вместе над этой новой задачей по сбору и последующему сжатию разделенных клеток в рабочие самокопии»
В более ранних экспериментах ученые были поражены тем, что ксеноботы могут быть разработаны для решения простых задач. Теперь они ошеломлены тем, что эти биологические объекты — созданная компьютером коллекция клеток — будут спонтанно воспроизводиться.
Доктор философии и ведущий автор нового исследования Сэм Кригман заявил: «Это клетки лягушки, которые реплицируются способом, который очень отличается от того, как это делают лягушки. Ни одно животное или растение, известное науке, не воспроизводится таким образом».
Сам по себе родительский объект «хenobot», состоящий примерно из 3000 ячеек, образует сферу. Кригман рассказал: «Из них могут родиться дети, но после этого система обычно вымирает. На самом деле очень сложно заставить систему продолжать воспроизводить».
Но с помощью программы искусственного интеллекта, работающей на кластере суперкомпьютеров Deep Green в Advanced Computing Core UVM в Вермонте, эволюционный алгоритм смог протестировать миллиарды форм тел в моделировании — треугольники, квадраты, пирамиды, морские звезды — чтобы найти те, которые позволили клеткам быть более эффективным при «кинематической» репликации на основе движения.
«Мы попросили суперкомпьютер в UVM выяснить, как отрегулировать форму первоначальных родителей, и после нескольких месяцев работы ИИ придумал некоторые странные конструкции, в том числе тот, который напоминал Pac-Man. Это выглядит очень просто, но инженеру-человеку такое не придумать. Почему один крошечный ротик? Почему не пять? Мы отправили результаты Дугласу, и он создал этих родительских ксеноботов в форме Пакмана. Потом эти родители создали детей, которые создали внуков, которые создали правнуков, которые создали праправнуков»
Кинематическая репликация хорошо известна на уровне молекул, но никогда раньше не наблюдалась в масштабе целых клеток или организмов. Бонгард рассказал: «Мы обнаружили, что существует это ранее неизвестное пространство внутри организмов или живых систем, и это огромное пространство. Как же нам тогда исследовать это пространство? Мы нашли ксеноботов, которые ходят. Мы нашли плавающих ксеноботов. И теперь, в этом исследовании, мы обнаружили ксеноботов, которые кинематически воспроизводятся. Что еще есть?».
«Мы работаем, чтобы понять это свойство — репликация. Мир и технологии стремительно меняются. Для общества в целом важно, чтобы мы изучали и понимали, как это работает. Эти живые машины миллиметрового размера, целиком помещенные в лабораторию, легко тушимые и проверенные федеральными, государственными и институциональными экспертами по этике, не мешают мне спать по ночам. Риск представляет следующая пандемия, ускорение ущерба экосистеме от загрязнения, усиление угроз, связанных с изменением климата. Это идеальная система для изучения самовоспроизводящихся систем. У нас есть моральный долг понимать условия, при которых мы можем контролировать это, направлять, подавлять, преувеличивать»
По словам исследователей, необходимо создавать технологические решения, которые будут расти с той же скоростью, что и проблемы, с которыми сталкивается мир. Команда видит в исследованиях многообещающие достижения в области регенеративной медицины.
«Если бы мы знали, как сказать коллекциям клеток делать то, что мы от них хотим, в конечном итоге была бы регенеративная медицина — это решение проблемы травматических повреждений, врожденных дефектов, рака и старения. Все эти различные проблемы существуют, потому что мы не знаем, как предсказать и контролировать, какие группы ячеек будут строиться. Ксеноботы — это новая платформа для обучения»
