قبل مئة سنة، كان من السهل معرفة متى كان شيء ما آلة. كانت الآلات “صلبة وخرقاء ، ومعدنية وثقيلة جدًا” ، وفقًا لعالم الأحياء التطوري مايكل ليفين يخبار يعكس.
لكن في الآونة الأخيرة ، أصبح الأمر واضحًا بالنسبة إلى ليفين ومعاونه جوشوا بونجارد، أستاذ علوم الكمبيوتر بجامعة فيرمونت ، أن تعريفاتنا “للآلة” و “الكائن الحي” على وشك أن تصبح غامضة للغاية.
في يناير 2020 ، كان الاثنان تصدرت عناوين الأخبار لأول مرة بعد إعلان أن فريقهم قد نجح في إنشاء “آلات بيولوجية بالكامل. الآن قام ليفين وبونجارد بنقل أجهزتهما البيولوجية ، أو “Xenobots” إلى المستوى التالي – باستخدام خلايا الضفادع لخلق أشكال حياة قادرة على الحركة والذاكرة والتلاعب بالعالم من حولهم.
هذه لا تصدق النتائج نشرت في الصحيفة يوم الاربعاء الروبوتات العلمية.
الخلفية – صُممت الآلات البيولوجية 2020 في عمليات محاكاة حاسوبية ثم بُنيت في أطباق بتري باستخدام مشارط دقيقة وأنسجة بيولوجية حية – خلايا الجلد والعضلات المأخوذة من أجنة الضفادع الأفريقية المخالب ، Xenopus laevis. بعبارة أخرى ، تم تصميمها مثل تصميم إنسان آلي ، لكن المواد الخام هي خلايا حية بنسبة 100٪.
هبط ليفين وبونغارد على تصميم يذكرنا بالكلب الذي تحول إلى كيس القماش الجميلة و الوحش والذي ، عند نحته ، ينقبض خلايا عضلاته ويعبر الصفيحة. أطلقوا على مخلوقاتهم الحية Xenobots (وضوحا zenno-bot) ، على اسم الضفدع الذي ولد خلاياه.
يقول ليفين ، الأستاذ في جامعة تافتس: “في هذا المقال الأول ، كنا نعرض المخلوقات التي حدث تاريخها التطوري في الكمبيوتر”.
“كان لديهم تاريخ تطوري ، لم يكن موجودًا على الأرض. في هذا العالم الافتراضي تمامًا قام Josh Bongard بترميزه.
قبل بضعة أسابيع ، بونغارد نشر نظريته الجديدة ما إذا كان من المفيد الاستمرار في استخدام الاستعارة القائلة بأن الكائنات الحية مثل الآلات (المفسد: ليس كذلك). في أحدث تقدم للروبوتات للفريق ، ليس هناك حاجة إلى نحت. Xenobots الجديدة ليست أكياس فول ، بل هي كرات. وليس لديهم خلايا عضلية ، كلهم بشرة. لكنهم ما زالوا يتحركون بشكل جيد للغاية.
ما الجديد – جلد أ Xenopus الضفدع مغطى بالأهداب ، وهي هياكل صغيرة تشبه الشعر ، والتي تعيد توزيع المخاط على جلدهم. إنه تكيف لدرء البكتيريا والفطريات. عندما تضع خلايا الجلد الجنينية معًا ، فإنها تتجمع معًا في كرات صغيرة مع وجود الرموش في الخارج.
وجد الفريق أن الرموش على Xenobot الجديد “تعمل معًا حتى يمكن للأشياء المضي قدمًا” ، كما يقول ليفين. “يبدأون في التجديف ويتحرك الشيء”.
اختبر الباحثون أيضًا لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم تكوين Xenobots مع بعض أشكال الذاكرة البدائية. لقد حقنوها بـ RNA الذي يشفر بروتينًا يتغير لونه عند تعرضه للون معين من الضوء. لقد نجح الأمر: كانت الروبوتات تصنع البروتينات ، وكان من الواضح أي الروبوتات “رأت” الضوء عندما أعادت لونًا مختلفًا.
يقول ليفين: “إنه دليل على مبدأ أنه يمكننا تعديل الخلايا لإضافة أشياء أخرى إليها تمنحها وظائف جديدة”. “في الوقت الحاضر ، البيولوجيا التركيبية هي مجرد” حساء خلوي “، كلها خلايا في الثقافة. الآن يمكن تجسيدها – لدينا جسم يمكنك وضع كل هذه الأنواع من الدوائر فيه.
كان الفريق مهتمًا أيضًا بكيفية عمل Xenobots كمجموعة. أجرى Bongard المزيد من عمليات المحاكاة الحاسوبية لمحاولة التنبؤ بما سيحدث عندما تسمح للروبوتات بالدخول إلى ساحة بها مجموعة من الجسيمات. كيف ستعيد حركة الروبوتات توزيع الجسيمات؟ هل يمكنك حملهم على صنع أكوام منها؟
لقد كانت عملية تكرارية ، وقياس خصائص Xenobots ، ووضع البيانات في محاكاة الكمبيوتر لعمل تنبؤات ، ثم اختبار تلك التنبؤات على الروبوتات وقياسها مرة أخرى. يقول ليفين: “إنها تنتقل من المحاكاة ، إلى التجريب ، إلى المحاكاة ، إلى التجربة ، ونأمل في كل مرة أن نكون أكثر ذكاءً قليلاً بعد كل جولة”.
لماذا هذا مهم – في الممارسة العملية ، يمكن أن يكون لـ Xenobots تطبيقات مثل السباحة في مجرى الدم وفتح الشرايين. لكن ليفين متحمس أكثر بشأن الصورة الكبيرة.
“معظم مشاكل الطب الحديث إذهب… إذا فهمنا كيفية جعل الخلايا تبني ما نريد بناءه.
مع نمو Xenobots خلال فترة حياتها القصيرة البالغة 10 أيام ، فإنها تطول وتصبح شفافة.
يقول ليفين: “إنهم يشبهون الأشباح تقريبًا”. “وهذا ليس شيئًا يمكن أن تتوقعه ، فهي لا تشبه أجنة الضفادع ، ولا تبدو مثل الشراغيف.” لديهم تسلسل التنمية الجديد الخاص بهم. “
إنه نوع جديد تمامًا من الكائنات الحية النموذجية ، كما يقول ليفين ، سيساعدنا على فهم كيفية بناء الخلايا للهياكل وكيف يمكننا “تحفيزها” للقيام بأشياء مختلفة إلى جانب عيبها الجيني – لا توجد هندسة وراثية متاحة. “مطلوب.
يقول: “ستختفي معظم المشكلات في الطب الحديث … إذا فهمنا كيفية جعل الخلايا تبني ما نريد أن تبنيه”.
عندما سئل عما إذا كان قد تم نقل هذا التكوين من خلايا الشعر مصادفة ، أجاب ليفين بالسؤال مرة أخرى. يقول إن الكثير من الناس لا يأخذون التطور على محمل الجد بما فيه الكفاية.
“تطورت الخصائص المعرفية المعقدة الخاصة بنا من إصدارات أصغر وأبسط من نفس الخصائص بالضبط في الآخرين. [earlier] المنظمات “، كما يقول.
“[Are the Xenobots] لاستخدام الفيزياء لإعادة استخدام آلياتها بطريقة يمكن تفسيرها بالكيمياء والفيزياء؟ بالطبع هم كذلك. لا يوجد سحر. لكن الأمر نفسه بالنسبة لنا. عندما نمشي ، نستخدم الكهرباء من شبكات طاقة الدماغ لتنشيط عضلاتنا. هذا لا يعني أنه أقل روعة.
“الناس ثنائيون جدًا في الأشياء. يقولون أنه روبوت أم أنه كائن حي؟ نعم ونعم ، “يقول ليفين. “هذه التصنيفات الثنائية ليست جيدة بعد الآن.”
و بعد؟ – يمضي ليفين وفريقه قدمًا في تجاربهم ، والتي يستخدم بعضها خلايا من مصادر أخرى غير الضفادع. يحفزه فضوله حول كيفية عمل مجموعات الخلايا معًا لتشكيل نوع من الذكاء الجماعي – تمامًا مثل دماغنا البشري.
يقول: “إنها مشكلة أبقتني مستيقظًا منذ أن كنت طفلاً”. “ما علاقة بنية الجسد بالروح التي تعيش هناك بطريقة أو بأخرى؟”
مع تزايد تعقيد هذه الروبوتات الحية ، سيتعين على المجتمع أن يسأل عما يعنيه أن تكون معرفيًا. يتخيل ليفين مستقبلًا من فيلم خيال علمي – فيلم يتحدى وجهة نظرنا في الإدراك وما ندين به أخلاقياً بإبداعاتنا.
“على مدار حياتك ، سنكون محاطين بعدد لا يُصدق من العوامل الجديدة التي هي هجينة وروبوتات وأنسجة حية مدمجة [vice versa] – كل تركيبة تحت الشمس ستعمل في مكان ما “، كما يقول ليفين.
خلاصة: حتى يومنا هذا ، تم بناء أسراب من الروبوتات من مواد من صنع الإنسان. تم إنشاء التركيبات البيولوجية المتنقلة من خلايا عضلية نمت على سقالات محددة بدقة. ومع ذلك ، ظل تسخير التنظيم الذاتي الناشئ واللدونة الوظيفية في آلة حية ذاتية التوجيه يمثل تحديًا كبيرًا. نُبلغ هنا عن طريقة لتوليد روبوتات بيولوجية في المختبر من الضفادع (Xenopus laevis) الخلايا. تُظهر هذه الكائنات xenobots حركة منسقة عبر الأهداب الموجودة على سطحها. تأتي هذه الأهداب من بنية الأنسجة الطبيعية ولا تتطلب أساليب بناء معقدة أو تحريرًا جينيًا ، مما يجعل الإنتاج مناسبًا للمشاريع عالية الإنتاجية. تولد الروبوتات البيولوجية عن طريق التنظيم الذاتي الخلوي ولا تتطلب سقالات أو طباعة دقيقة ؛ تتأقلم الخلايا البرمائية جيدًا مع التحفيز الجراحي والجيني والكيميائي والضوئي أثناء عملية التجميع الذاتي. نظهر أن xenobots يمكنها التنقل في البيئات المائية بعدة طرق ، والشفاء من الضرر ، وإظهار سلوكيات المجموعة الناشئة. لقد قمنا ببناء نموذج حسابي للتنبؤ بالسلوكيات الجماعية المفيدة التي يمكن الحصول عليها من سرب من الروبوتات xenobots. بالإضافة إلى ذلك ، نقدم إثباتًا لمبدأ الذاكرة الجزيئية القابلة للكتابة باستخدام بروتين قابل للتحويل الضوئي يمكنه تسجيل التعرض لطول موجي معين من الضوء. تقدم هذه النتائج معًا منصة يمكن استخدامها لدراسة العديد من جوانب التجميع الذاتي وسلوك الأسراب والهندسة الحيوية الاصطناعية ، بالإضافة إلى توفير آلات حية ذات أجسام ناعمة متعددة الاستخدامات للبحث. العديد من التطبيقات العملية في الطب الحيوي وفي البيئة .
