Aus den Hautzellen von Froschembryonen zusammengesetzte Zellklumpen bewegen sich selbstständig durch eine Nährlösung. Liegen in ihrer Umgebung lose Einzelzellen, schieben die Roboter aus Froschzellen sie zu Haufen zusammen, aus denen eine neue Generation beweglicher Klumpen entsteht. Diese Art der Vermehrung ist von keinem Lebewesen bekannt. Sie kommt ohne Wachstum, ohne Teilung und ohne Fortpflanzungsorgane aus.
Jedes bekannte Lebewesen vermehrt sich, indem es wächst und anschließend etwas abgibt: Zellen teilen sich, Pflanzen treiben Ableger, Tiere legen Eier oder gebären. Der gemeinsame Nenner ist, dass der Nachwuchs im oder am Körper des Elternteils entsteht. Daneben existiert ein theoretisches Modell, das der Mathematiker John von Neumann bereits in den 1940er Jahren beschrieb: eine Maschine, die sich vermehrt, indem sie herumliegende Bauteile einsammelt und daraus eine Kopie ihrer selbst zusammensetzt. Fachleute nennen das kinematische Selbstreplikation. In der Biologie war dieser Weg bis vor wenigen Jahren rein hypothetisch, denn kein Organismus arbeitet so.
Der Ausgangspunkt der Versuche war eine andere Frage. Teams an der University of Vermont, der Tufts University und am Wyss Institute der Harvard University untersuchten, was Zellen bauen, wenn man ihnen den gewohnten Bauplan entzieht. Dafür lösten sie Stammzellen aus Embryonen des Afrikanischen Krallenfrosches heraus und ließen sie ohne Embryo zusammenwachsen. Die Zellen bilden dann keine Kaulquappe, sondern kugelige Verbände mit Flimmerhärchen an der Oberfläche, die sich durch Flüssigkeit bewegen. Weil diese Gebilde weder klassische Organismen noch Maschinen sind, erhielten sie den Namen Xenobots, abgeleitet vom lateinischen Artnamen des Frosches.
Der entscheidende Versuch bestand darin, solche Zellkugeln in eine Schale mit vielen losen Einzelzellen zu setzen. Beim Umherschwimmen schoben die Klumpen die Zellen vor sich her, bis Häufchen entstanden. Nach einigen Tagen hatten sich diese Häufchen ihrerseits zu beweglichen Kugeln verbunden, die dasselbe erneut tun konnten.
Wie gut das gelingt, hängt an der Form. Eine Kugel schiebt beim Schwimmen nur wenig Material zusammen; ein Computerprogramm, das tausende Formen durchspielte, fand dagegen eine halbmondartige Gestalt, die wie ein Schneepflug wirkt und deutlich mehr Zellen aufsammelt. Mit dieser Form ließen sich mehrere Generationen hintereinander erzeugen, während der Vorgang bei der Kugelform meist nach der ersten Runde endet. Wie die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichte Arbeit festhält, ist diese Form der Fortpflanzung bei keinem Organismus je beobachtet worden.
Die Einordnung ist wichtiger als der Effekt. Die Gebilde besitzen kein verändertes Erbgut, sie sind keine gentechnisch hergestellten Organismen, sondern unveränderte Froschzellen in ungewohnter Anordnung. Sie leben von den Dottervorräten der Embryonalzellen und zerfallen nach etwa ein bis zwei Wochen, wenn diese aufgebraucht sind. Eine Vermehrung über viele Generationen findet nicht statt, weil jede Runde neues Zellmaterial voraussetzt, das in der Natur nicht herumliegt. Außerhalb von Süßwasser und Labortemperatur sind sie nicht lebensfähig. Was sie zeigen, ist etwas anderes: Zellen tragen Verhaltensmöglichkeiten in sich, die in ihrem normalen Entwicklungsweg nie zum Vorschein kommen. Wie schnell Zuschreibungen an solche Systeme zu weit gehen, zeigt sich auch in der Technik, etwa wenn ein Sprachmodell ohne Sperre sich selbst für bewusst erklärt.
Die beteiligten Forscher nennen zwei Richtungen. Die erste betrifft die Grundlagen: Wenn sich verstehen lässt, warum dieselben Zellen einmal eine Kaulquappe und einmal einen beweglichen Klumpen bilden, rückt die Frage näher, wie sich Gewebe gezielt zur Regeneration bringen lässt, etwa nach Verletzungen. Die zweite betrifft Anwendungen, für die Metall und Kunststoff ungeeignet sind. Diskutiert werden winzige biologisch abbaubare Helfer, die Mikroplastik aus Wasser sammeln oder Wirkstoffe transportieren, weil sie nach getaner Arbeit von selbst zerfallen. Beides ist Zukunftsmusik, denn bislang bewegen sich die Gebilde ohne Steuerung und ohne Ziel.
Der eigentliche Gewinn liegt in der Verschiebung einer Grenze. Bislang galt eine einfache Trennung: Maschinen werden gebaut, Lebewesen wachsen. Hier wird etwas gebaut, das aus lebendem Material besteht, sich bewegt, auf seine Umgebung reagiert und auf eine Weise Nachkommen erzeugt, die in keiner Biologie steht. Zugleich fehlt alles, was einen Organismus ausmacht: kein Stoffwechsel über die Vorräte hinaus, keine Evolution, keine Überlebensfähigkeit außerhalb des Labors. Die Grenze zwischen Lebewesen und Maschine erweist sich damit weniger als Linie denn als Übergangsbereich, in dem sich bislang niemand aufgehalten hat.
PNAS, Kinematic self-replication in reconfigurable organisms; doi:10.1073/pnas.2112672118