«Если», 2016 № 02

Алекс ОЛЬХОВИК
НАНОТЕХНОЛОГИИ: С ЧЕГО ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ

© Dionismaster, илл, 2016

/нанотехнологии

/информационные технологии

/новое производство /медицина

История нанотехнологий началась не сегодня и даже не вчера. Неизбежность развития этого направления еще в 1986 году обосновал Эрик Дрекслер в книге «Машины создания: грядущая эра нанотехнологий». Книга, вышедшая тридцать лет назад, определяет контуры современного инженерного понимания нанотеха.

К началу 80-х годов стандарт мышления, сформировавшийся в результате странных представлений о невозможности прогнозирования развития науки, приводил к тому, что инженерные разработки, основанные на существующих научных достижениях, но ожидающие адекватного технологического воплощения, оставались без внимания профессионального сообщества. Эрик Дрекслер рискнул доказать, что нам еще есть, куда двигаться, и в таком движении нет ничего невозможного.

Естественные белковые молекулярные машины уже существуют и успешно функционируют, выполняя целый ряд простых функций. Иллюстрацией целенаправленного применения молекулярных технологий на момент написания книги служило применение ферментов ограничения для разрезания и склеивания ДНК в генной инженерии.

Гормоны и ферменты выборочно прилипают к другим молекулам. Фермент изменяет структуру цепи, затем идет дальше; гормон воздействует на поведение цепи только пока оба остаются связанными вместе. Их поведение лучше описывается в химических терминах, хотя и может быть переведено на язык механики.

Другие белки выполняют простые механические функции: тянут, толкают, действуют как стяжки или распорки. Механизм мышцы, например, имеет наборы белков, которые захватывают «веревку» (также сделанную из белка), тащат ее, потом отходят, чтобы захватить новую; вы используете эти машины каждый раз, когда двигаетесь.

Сегменты, подчиненные этим простым функциям, могут быть скомбинированы так, чтобы строить более сложные машины. Химические реакции могут связывать атомы различным образом, а молекулярные машины могут направлять химические реакции в соответствии с программными инструкциями, тем самым реализуя функцию классических ассемблеров.

Такие машины объединят расщепляющие и склеивающие способности ферментов с возможностью программирования рибосом, но в отличие от последних смогут строить не только неплотные складки белка, но и прочные объекты из металла, керамики или алмаза.

Искусственные репликаторы могут работать подобно воспроизводящимся клеткам, используя ассемблеры вместо рибосом, но есть вероятность, что инженеры придумают другие подходы к задаче. В итоге часть репликаторов вообще не будет похожа на клетки, скорее на фабрики, уменьшенные до соответствующего размера и содержащие установленные на молекулярном каркасе наномашины и конвейерные ремни. Снаружи у них будет набор манипуляторов, служащий для сборки копий по отдельному атому или по целой секции атомов за одну операцию. Связывая правильным образом нужные атомы, такие машины практически смогут собрать все что угодно.

Для строительства крупных объектов молекулярные ассемблеры и макроассемблеры будут работать в единой связке. Используя стратегию, позаимствованную у живых организмов с их сложной системой сосудов, снабжающих клетки необходимыми веществами, подобные сборочные комплексы смогут, возводя строительные леса и работая по всему объему, соединять материалы, принесенные по каналам извне. В результате большая часть выделившегося тепла будет рассеиваться достаточно далеко от основного места сборки.

Информационные технологии. Как правило, при производстве микросхем дефекты молекулярного масштаба неизбежны. С молекулярными ассемблерами появится возможность строить схемы с точностью до атома в трех измерениях.

Сейчас самые быстрые компьютеры — электронные, но для сверхплотных процессоров это совершенно не обязательно.

Может показаться странным, но сущность вычисления не имеет никакого отношения к электронике. Цифровой компьютер — сборище переключателей, способных включать и выключать друг друга: начинают работу в одной позиции, далее переключают друг друга в новое положение и т. д. Инженеры строят компьютеры из крошечных электронных переключателей, связанных проводами, просто потому, что механические переключатели, связанные палочками или ниточками, были бы сегодня большими, медленными, ненадежными и дорогими.

Но с компонентами с характерной длиной в несколько атомов, обычная механическая счетная машина поместилась бы в 1/100 кубического микрона, т. е. оказалась бы в миллиарды раз более компактным, чем сегодняшняя так называемая микроэлектроника. Наномеханический компьютер с гигабайтом памяти мог бы поместиться в коробок размером с бактерию. И он был бы невероятно быстр! Хотя механические сигналы движутся примерно в 100000 раз медленнее, чем электрические, им требовалось бы проходить лишь 1/1000000 расстояния, а потому задержка оказалась бы такой же.

Логичное следствие развития информационных технологий — появление искусственного интеллекта. Правительства и частные компании во всем мире поддерживают разработку ИскИнов, так как они сулят коммерческие и военные преимущества. И кажется маловероятным, что этот процесс остановится на сложности человеческого разума.

Ожидать появление ИскИна — ни оптимистично, ни пессимистично. Он будет, но, как всегда, оптимизм исследователя влечет за собой пессимизм технофоба.

Освоение космоса. Следующая область применения нанотехнологий — это космос и все, что с ним связано. Бороздить просторы вселенной мы могли бы, и используя традиционные технологии. Но не будем. В настоящее время для разработки новой космической системы обычно требуется от пяти до десяти лет, при этом тратится от десятков до миллиардов долларов. Объем затрат и эфемерность результатов делают прогресс болезненно медленным. Но в грядущие годы автоматизированные проектировочные системы разовьются в полностью автоматические. Как только это произойдет, затраты и необходимое время на разработку уменьшатся, а производственные системы, управляемые компьютерами, сократят общие затраты еще больше.

Самовоспроизводящиеся ассемблеры смогут построить целый космический флот из материалов, формирующихся на принципах алмазной кристаллической решетки, примерно в пятьдесят раз более прочных (и в четырнадцать раз более жестких), чем дюрали, используемые для подобных целей в наше время. Космические корабли из таких материалов можно сделать на 90 % легче любого современного аналога.

Выйдя в космос, такой корабль развернет солнечные коллекторы для сбора энергии, которой там более чем достаточно. Используя эту энергию, ассемблеры и дизассемблеры будут перестраивать себя в полете так, чтобы соответствовать изменяющимся условиям или желаниям пассажиров.

Сегодня космическое путешествие — это сложная задача. Завтра оно будет простым и комфортным.

Медицина. Человеческое тело состоит из молекул, и мы, естественно, будем использовать молекулярные технологии для восстановления здоровья. Больные, старые и раненые страдают от того, что атомы формируются в неправильные структуры из-за вторжения вирусов, процессов старения или вылетевших с дороги автомобилей.

С помощью обычных лекарств и современной хирургии возможно лишь частичное стимулирование тканей к самовосстановлению. Молекулярные машины откроют возможность для ремонта с непосредственным воздействием на молекулу.

Чтобы починить автомобиль, механик сначала добирается до дефектного узла, затем опознает и удаляет плохие части и в конце концов восстанавливает их или заменяет. Ремонт клетки будет включать ровно те же основные задачи, принципиальную разрешимость которых живые системы уже доказали.

• Доступ. Белые клетки крови покидают кровяное русло и движутся через ткань, а вирусы входят в клетки. Молекулярные машины могут предотвратить этот процесс.

• Распознавание. Антитела, да и любое специфическое биохимическое взаимодействие, показывают, что молекулярные системы, входя в контакт с другими молекулами, могут их распознавать.

• Разборка. Пищеварительные ферменты показывают, что молекулярные системы могут разбирать поврежденные молекулы.

• Восстановление. Воспроизводящиеся клетки показывают, что молекулярные системы могут строить или восстанавливать любую молекулу, обнаруживаемую в клетке.

• Повторная сборка. Отделенные молекулы могут быть собраны вместе снова. Например, механизмы фага Т4 собирают сами себя из раствора, чему, очевидно, помогает единственный фермент.

Таким образом, природа демонстрирует все основные операции, необходимые для ремонта клеток на молекулярном уровне.

Однако самое простое медицинское применение наномашин будет включать не ремонт, а выборочное разрушение. Цель проста: необходимо лишь распознать и уничтожить опасные репликаторы, будь то бактерии, раковые клетки, вирусы или черви.

Как только биологи опишут нормальные молекулы, клетки и ткани, должным образом запрограммированные машины ремонта будут способны вылечить даже неизвестные болезни. Вместо того чтобы бороться с миллионом странных угроз, продвинутые медицинские наноустройства будут просто восстанавливать состояние здоровья.

Но есть и задачи, по различным причинам находящиеся вне возможностей машин клеточного ремонта. Например, поддержание умственного здоровья. Фундаментальное ограничение для восстановления тканей представляет собой потеря информации. Если уникальные нейронные структуры действительно разрушены, то машины ремонта клеток могут их восстановить не более эффективно, чем реставратор мог бы восстановить гобелен из перемешанной золы. Быт. Технологическое развитие может не только прервать или продлить жизнь, но может и кардинально изменить ее качество. Продукты нанотехнологических производств войдут в быт, а последствия могут быть как заурядными (упрощение ведения домашнего хозяйства), так и существенными (сокращение причин домашних ссор).

Нет особой хитрости, например, в том, чтобы сделать все, от посуды до ковров, самоочищающимся, а воздух дома постоянно свежим. Для правильно сконструированных наномашин грязь станет источником энергии.

Нанотехнологические системы смогут производить свежие продукты — настоящее мясо, зерно, овощи и т. д. — прямо на дому и круглый год, что позволит людям есть привычную пищу, никого при этом не убивая.

Молекулярные технологии сделают возможными трехмерное телевидение и полноценную виртуальную и дополненную реальность.

Перед нами откроется целый мир технологических решений, по сравнению с которыми современный комфорт покажется неудобным и опасным.

Охрана природы. Нанотехнологии позволят разработать устройства, необходимые, чтобы ликвидировать то наследие, которое оставила индустриальная цивилизация XX века. Будущие машины исцеления планеты помогут исправить испорченные природные пейзажи и восстановить поврежденные экосистемы. С технологией восстановления клеток мы даже будем способны вернуть некоторые исчезнувшие виды из полного небытия.

Доктор Барбара Дуррант, репродуктивный физиолог зоопарка в Сан-Диего, аккуратно сохраняет в криогенном холодильнике образцы ткани видов, которые могут исчезнуть с лица планеты Земля. Хранение исключительно образцов тканей не спасает жизнь животного или экосистему, но его достаточно для сохранения генетической наследственности конкретного вида.

Но технологическое развитие одновременно с захватывающими перспективами таит немалые опасности.

«Серая слизь». Всеядные «бактерии» искусственного происхождения, слишком жесткие, маленькие и быстрые, чтобы их остановить (по крайней мере, без предварительной подготовки), могли бы выиграть конкуренцию у настоящих, распространиться как летящая пыльца, стремительно размножаясь, и свести биосферу в пыль за считаные дни. У нас достаточно проблем с контролем над вирусами и фруктовыми мушками.

Злобный ИскИн. Если мы не будем подготовлены, нас могут сместить с позиции царя природы развитая система ИскИнов. Так же как с репликаторами, простое «эволюционное превосходство» не обязательно определит нас людей как победителей в конкурентной битве за мощность и эффективность разума.

Контроль над людьми. Третья угроза исходит со стороны государств и других крупных управляющих структур, которым новые технологии позволят консолидировать власть над людьми. Государства эволюционируют, а в войнах бьются как звери, используя граждан как свои кости, мозг и мускулы. Описание государств как квазиорганизмов охватывает только один аспект сложной реальности, однако оно подсказывает возможные направления развития. С усовершенствованной технологией контролировать людей будет не нужно, вместо этого можно от людей отказаться, переложив выполнение необходимых функций на ассемблеры и системы ИскИнов.

Обещанные технологические блага манят нас вперед, а давление конкуренции делает остановку практически невозможной. Попытки заморозить прогресс в одном городе, регионе или стране, самое большее — дадут другим перехватить инициативу. По мере того как гонка технологий ускоряется, новые разработки все быстрее входят в нашу жизнь, а фатальные ошибки становятся более вероятными.

Мы должны строить прогнозы и пытаться управлять развитием. Разработаем ли мы монстров до технологий, позволяющих посадить их в клетку, или после? Некоторые же монстры, единожды будучи отпущенными на свободу, уже не могут быть возвращены в клетку. Чтобы остаться в живых, мы должны сохранять контроль, ускоряя некоторые разработки и придерживая другие. Самое время начать разрабатывать социальные институты, способные работать с такими задачами. И разрабатывать сейчас.