Как только нанотехнология двинется дальше использования белков, она будет становиться всё более и более «обычной» с точки зрения инженера. Молекулы будут собираться подобно компонентам набора монтажника, а хорошо связанные частидетали будут оставаться на своих местах. Так же как оОбычные инструменты строят обычные машины из частей - точно, так же и молекулярные инструменты будут связывать молекулы так, чтобы образовывать крошечные двигатели, моторы, рычаги, обшивки и собирать их в сложные машины.

ЧастиДетали, содержащие только несколько атомов, будут «бугристыми», но инженеры могут работать и с бугристыми частями, если, например, они имеют гладкие поддерживающие подпоркиопоры, их поддерживающие. Достаточно удобно, нНекоторые связи между атомами способны делают служить прекрасные прекрасными подпоркиопорами. Любая; часть деталь может быть установлена посредством единственной химической связи, которая будет позволять поворачивать её свободно и плавно. Так какПоскольку опора, например, подпорка может быть сделана с использованием только двух атомов (и поскольку для движущихся частей нужно лишь несколько атомов), наномашины могут на самом деле иметь механические компоненты размера молекулярного размераы.

Как эти усовершенствованные машины будут построены? За эти годы иИнженеры всегда использовали технологию, для того чтобы улучшить технологию. Они использовали металлические инструменты, чтобы оформлять металл в лучшие инструменты, и компьютеры, чтобы проектировать и программировать лучшие компьютеры. Аналогично, инженеры Они будут аналогично использовать белковые наномашины, чтобы строить лучшие наномашины. Ферменты поступают такжеуказывают путь: они собирают большие молекулы, "выхватывая" маленькие молекулы из окружающей воды, в которой они находятся, и удерживают их вместе так, что образуются связи. Ферменты собирают этим способом ДНК, РНК, белки, жиры, гормоны и хлорофилл - на самом деле, практически весь спектр молекул, обнаруживаемых в живых организмах.

Далее инженеры-биохимики будут строить новые ферменты, чтобы собрать новые структуры атомов. Например, биохимики они могли бы сделать ферментоподобную машину, которая будет присоединять углеродистые атомы к маленькому пятнышкуподложке, слой на слой. Будучи правильно связаны, атомы будут наращиваться и формировать прекрасное, гибкое алмазное волокно, более чем более чем в пятьдесят раз прочнеепрочнее, чем алюминийя того же веса. Аэрокосмические компании будут выстраиваться в очередь, чтобы покупать за такое таким волокноволокном - тоннами, чтобыдля того чтобы делать детали с улучшенными характеристиками, и (это показывает только лишь одну маленькую из причину, почему конкуренция в военной сфере будет двигать молекулярную технологию вперёд, как она двигала многие сферы в прошлом).

Но действительно большой значительный прогресс будет достигнут тогда, когда белковые машины будут способны делать структуры более сложные, чем простые волокна. Эти Такие программируемые белковые машины будут походить на рибосомы, программируемые РНК, или на старое поколение автоматизированных станков, программируемое перфорированными лентами. Они откроют новый мир возможностей, позволяя инженерам избежать не ограничения ограничиваться белков белками для построения прочных компактных наномашин прямым проектированием.

Проектируемые белки будут расщеплять и соединять молекулы, как это делают ферменты. Существующие белки связывают множество меньших молекул, используя их как химические инструменты; также будут поступать и заново проектируемые белки будут использовать все эти инструменты и т. д.

Далее, органические химики показали, что химические реакции могут давать замечательные результаты, расставляя молекулы по нужным местам даже без наномашин. Химики не имеют никакого прямого контроля над «кувыркающимися» движениями молекул в жидкости, поэтому молекулы свободны реагировать любым образом, которым они могут, в зависимости от того, как они сталкиваются. Однако химики, тем не менее, добиваются, чтобы реагирующие молекулы образовывали правильные структуры, такие как кубические или двенадцатигранные молекулы, и образовывать структуры, выглядящие невероятно, такие как и даже молекулярные кольца с высоконапряжёнными связями. Молекулярные машины будут иметь ещё большую неустойчивость в образовании связей, потому чтоведь они смогут использовать не только подобные молекулярные движения для образования связей, но они могути выполнять более сложные движения для образования разнообразных эти связейдвижения такими способами, какими не могут химики.

Действительно, поскольку химики ещё не могут направить молекулярные движения, они редко способны собирать сложные молекулы в соответствии с определёнными планами. Самые большие молекулы, которые они могут делать с определенными сложными структурами, - это линейные цепи. Химики формируют эти структуры (как в механизмах гена), добавляя молекулы по одной к последовательно последовательно к растущей цепи. Только с в одним одном возможным возможном участком участке связывания в цепи они могут быть уверены, что добавили следующую часть в правильном месте.

Но если округленная, бугристая молекула имеет на своей поверхности, скажем, сотню водородных атомов на своей поверхности -, как химики могут отколоть только один специфический атом (5 атомов вверх и 3 атома по диагонали спереди на выпуклости), чтобы добавить что-либо на его место? Смешивание вместе простых химикалий редко не сделает решит эту работузадачу, поскольку маленькие молекулы редко могут выбрать специфические места, с которыми надо реагировать в больших молекулах. Но протеиновые машины будут более избирательными.

Гибкая, программируемая белковая машина схватит большую молекулу (объект работы), в то время как маленькая молекула будет установлена именно напротив правильного места. Подобно ферменту, она тогдазатем она свяжет молекулы вместе. Привязывая молекулу за молекулой к собираемому куску, машина будет собирать всё большую и большую структуру, в то время как будет сохраняться полный контроль над тем, каккаким образом его атомы упорядочены. Это есть ключевое умение, которым не обладают химики.

Подобно рибосомам, такиеподобные наномашины могут работать под управлением молекулярных лент. В отличие от рибосом, они будут иметь дело с широким разнообразием маленьких молекул (не только аминокислот) и присоединять их к собираемому объекту не только в конце цепи, но и в любом желаемом требующемся месте. Белковые машины, таким образом, объединят расщепляющие и склеивающие способности ферментов с возможностью программирования рибосом. Но в то время как рибосомы могут строить только неплотные складки белка, эти белковые машины будут строить маленькие, твердые объекты из металла, керамики или алмаза - невидимо маленькие, но прочные.

Так какПоскольку наши пальцы из плоти подвержены ушибам или ожогам, мы обращаемся к стальным клещам. Там, где белковые машины, вероятно, могут быть разрушены или распадутся, мы обратимся к наномашинам, сделанным из более жесткого материала.

Универсальные ассемблеры

Это будет второе поколение наномашин, построенных не просто из белков: они будут делать все, что могут делать белки, и более не толькотого. В частности, некоторые будут служить как усовершенствованные устройства для сборки молекулярных структур. Устойчивые к кислоте или вакууму, замораживанию или нагреву, в зависимости от цели использования, ферментоподобные машины второго поколения будут способны использовать в качестве "инструментов" почти любую из молекул, используемых химиками в реакциях, но они будут с ними обращаться с точностью программируемых машин. Они будут способны связать атомы для получения практически любой устойчивой структуры, добавляя понемногу за раз к поверхности рабочего куска до тех пор, пока сложная структура не будет завершена. Думайте о наномашинах как об ассемблерах.

Поскольку ассемблеры позволят нам размещать атомы почти любым разумным образом[4] (как - это обсуждается в Примечаниях), они позволят нам строить почти всёпрактически всё что угодно, чему законы природы позволяют существовать. В частности, они позволят нам строить почти всёпрактически всё что угодно, что мы можем разработать, включая новые ассемблеры. Последствия этого будут глубокфундаментальныими, потому что сейчас наши грубые инструменты позволяют нам исследовать только малую часть всего спектра возможностей, которые позволяет природа. Ассемблеры откроют нам мир новых технологий.

Успехи в медицинских, космических, вычислительных, военных технологиях - все они зависят от нашей способности упорядочивать атомы. С ассемблерами мы будем способны повторно переделать наш мир или уничтожить его. На этом этапе кажется разумным отступить назад, и посмотреть настолько внимательно и , насколько это возможно, чтобы убедиться, что ассемблеры и нанотехнология - не просто футурологический мираж.

Какие будут выводы?

Во всем вышесказанном, что я описал, я в большой мере основывался на доказанных фактах химии и молекулярной биологии. Однако люди регулярно поднимают некоторые вопросы, уходящие корнями в физику и биологию. Эти Такие вопросы заслуживают более прямых ответов.

Не сделает ли принцип неопределённости квантовой физики молекулярные машины неосуществимыми?

Кроме всего прочего этот принцип говорит о том, что невозможно определить точное местоположение частицы в течение любого отрезка времени. Это ограничивает то, что могут делать молекулярные машины, равно как и ограничивает то, что может делать что угодно еще. Тем не менее, вычисления показывают, что принцип неопределённости накладывает мало существенных ограничений на то, насколько хорошо атомы можно размещать на свои места, по крайней мере, для тех целей, которые обрисовываются обрисовываны здесь. Принцип неопределённости делает местоположение электронов довольно расплывчатым, и в действительности эта расплывчатость определяет сам размер и структуру атомов. Атом как целое, однако, имеет сравнительно определённое местоположение, установленное своему относительно массивному ядру. Если бы атомы не сохраняли своё положение сравнительно хорошо, молекулы бы не существовали. Квантовой механики не требуется, чтобы доказать эти заключения, поскольку молекулярные машины в клетке демонстрируют то, что молекулярные машины работают.

Не сделают ли тепловые вибрации молекул молекулярные машины неработоспособными или слишком ненадёжными, чтобыдля того чтобы их использовать?

Тепловые колебания причинят большие проблемы, чем принцип неуверенности, однако здесь снова существующие молекулярные машины непосредственно демонстрируют, что молекулярные машины могут работать при обычных температурах. Несмотря на тепловые колебания, механизмы копирования ДНК в некоторых клетках делают меньше чем одну ошибку на операций. ЧтобыДля того чтобы достичь такойподобной точности, однако, клетки используют машины (такие как фермент ДНК-полимераза I), которые проверяют копию и исправляют ошибки. Для ассемблеров вполне может быть необходимы аналогичные способности проверки и исправления ошибок, если они предназначены выдавать надёжные результаты.

Не будет ли радиация разрушать молекулярные машины или делать их непригодными для использования?

Радиация высокой энергии может нарушать химические связи и разрушать молекулярные машины. Живые клетки еще ещё раз показывают, что решения существуют: они работают в течение многих лет, восстанавливая и заменяя поврежденные радиацией части. Однако поскольку каждая отдельная машина такая крошечная, что она представляет собой маленькую цель мишень для радиактивного излученияции, и радиация редко в неё попадает. Всё же, надёжная если система наномашин должна быть надёжна, то она должна выдерживать определённое количество повреждений, а повреждённые части должны регулярно чиниться или заменяться. Этот подход к надёжности хорошо знаком разработчикам самолётов и космических кораблей.

Эволюция не сумела произвести ассемблеры, не говорит ли это о том, что они являются либо невозможными, либо бесполезными?

Отвечая на предыдущие вопросы, мы отчасти ссылались на уже работающие молекулярные машины клеток. Они представляют собой простое и мощное доказательство того, что законы природы позволяют маленьким группам атомов вести себя как управляемые машины, способные строить другие наномашины. Однако вопреки тому, что они в основе напоминают рибосомы, ассемблеры будут отличаться от всего, что находится в клетках и; хотя они состоят в обычных движениях молекул и реакциях, то, что они делают, будет иметь новые результаты. Например, ни одна клетка не производит алмазного волокна.

Мысль, что новые виды наномашин дадут новые полезные способности, может казаться потрясающей: за все миллиарды лет развития жизнь в основе всегда полагалась только на белковые машины. Но говорит ли это о том, что усовершенствования были невозможны? Эволюция идёт небольшими изменениями, и эволюция ДНК не может легко заменить ДНК. Так какПоскольку система ДНК-РНК-рибосома специализирована для построения белков, жизнь не имела никакой реальной возможности развить альтернативный вариант. Любой производственный менеджер хорошо может оценить причины этого; жизнь - больше чем фабрика, она не может себе позволить прекратить деятельность, чтобы заменить свои системы на новые.

Улучшенные молекулярные машины должны нас удивлять не больше, чем сплав стали, который в десять раз прочнее кости, или медные провода, передающие сигналы в миллион раз быстрее нервов. Автомобили обгоняют гепардов, реактивные самолеты летают быстрее соколов, и компьютеры уже считают быстрее самых талантливых из людей. Будущее даст новые примеры улучшений в биологической эволюции, из которых второе поколение наномашин будет лишь однимначалом.

В физических терминах, достаточно ясно, почему усовершенствованные ассемблеры будут способны делать больше, чем существующие белковые машины. Они будут программироваться подобно рибосомам, но они будут способны использовать более широкий диапазон инструментов, чем все ферменты в клетке вместе взятые. Поскольку они будут сделаны из материалов, намного более прочных, твёрдых и устойчивых, чем белки, они будут способны развивать большие мощности, двигаться с большей точностью и выносить более суровые условия. Подобно промышленным манипуляторам, но в отличие от чего-либо в живой клетке, они будут способны вращаться и двигать молекулы в трёх измерениях под программным управлением, делая возможным точную сборку сложных объектов. Эти Такие преимущества будут давать им возможность собирать намного более широкий спектр молекулярных структур, чем это делали живые клетки.

Не имеет ли жизнь в себе нечто особое сверхъестественное, без чего молекулярные машины не будут работать?

Можно было бы сомневаться, что искусственные наномашины могли бы даже приблизиться к способностям наномашин в клетке, если бы была причина думать, что в клетках есть нечто сверхъестественное, что заставляет их работать. Эта идея называется "витализм". Биологи отказались от ннеёего, потому что они нашли химические и физические объяснения для каждого уже изученного аспекта живой клетки, включая движение, рост и воспроизводство. Действительно, это знание является самой основой биотехнологии.

Наномашины, плавающие в стерильных испытательных пробирках вне клеток, заставили выполнять все основные виды действий, которые они выполняют внутри живых клеток. Начиная с химических веществ, которые могут быть получены из дыма, биохимики построили работающие белковые машины без помощи клеток. , например, использовал химические приёмы для сборки простых аминокислот в рибонуклеазу поджелудочной железы бычка, комплекс ферментов, который разбирает на части молекулы РНК. Жизнь специфична по структуре, по поведению, а также по тому, что она чувствует изнутри по поводу того, что она жива. Н, но законы природы, которые управляют механизмами жизни, также управляют и всей остальной вселенной.

Доказательства реализуемости ассемблеров и других наномашин могут казаться обоснованным, но почему бы просто не подождать и не посмотреть, действительно ли они могут быть разработаны?

Чистое любопытство кажется достаточной причиной, чтобы исследовать возможности, открытые нанотехнологией, но есть и более сильные причины. Эти Такие достижения охватят мир в пределах от десяти до пятидесяти лет, то есть в пределах сроков жизни наших собственных или членов наших семей. Что более существенно, заключения следующей главы подсказывают, что политика "подождём-посмотрим" была бы слишком дорогой: она бы стоила миллионы миллионов жизней, и, возможно, жизни на Земле.

Является ли доказательство реализуемости нанотехнологии и ассемблеров достаточно обоснованным, чтобы быть принятым серьезно? По-видимому, это так, поскольку суть доказательства опирается на два известных факта науки и конструирования: (1) существующие молекулярные машины служат выполняют целому целый ряду простых функций, (2) части, служащие обеспечивающие этим простым простые функциямфункции, могут быть скомбинированы так, чтобы строить сложные машины. Поскольку химические реакции могут связывать атомы различным образом и поскольку молекулярные машины могут направлять химические реакции в соответствии с программными инструкциями, ассемблеры определённо реализуемы.

Нанокомпьютеры

Ассемблеры принесут одно крупное достижение очевидной и фундаментальной важности: инженеры будут их использовать, чтобы сократить для сокращения размера и стоимость стоимости микросхем компьютера и ускорить их функционирование на много порядков.

С сегодняшней балк-технологией инженеры делают схемы на кремниевых чипах, «обстреливая» их атомами и фотонами, но схемы остаются плоскими, и поэтому неизбежны дефекты молекулярного масштаба. С ассемблерами, однако, инженеры будут строить схемы в трёх измерениях, с точностью до атома. Точные ограничения электронной технологии сегодня остаются неопределёнными, поскольку квантовое поведение электронов в сложных сетях крошечных структур представляет собой сложный процесс со многими проблемамие проблемы, некоторые из них проистекают напрямую из принципа неопределённости. Но где бы ни быликакими бы ни были эти фундаментальные ограниченияграницы применимости, однако, они могут бытьудут достигнуты с помощью ассемблеров.

Самые быстрые компьютеры будут использовать электронные эффекты, но самые маленькие могут обойтись и без нихне использовать. Это может казаться странным, однако сущность вычисления не имеет никакого отношения к электронике. Цифровой компьютер - собрание выключателей, способных включать и выключать друг друга. Его переключатели начинают в одном положении (возможно, представляющем собой 2+2), далее переключают друг друга в новое положение (представляющем собой 4) и т. д. ТакиеПодобные схемы могут отображать почти всёпрактически всё что угодно. Инженеры строят компьютеры из крошечных электронных переключателей, связанных проводами, просто потому, что механические переключатели, связанные палочками или ниточками, были бы сегодня большими, медленными, ненадёжными и дорогими.

Идея относительно полностью механического компьютера вряд ли нова. В Англии в течение серединые 1800-х Чарльз Бэббидж изобрел механический компьютер, построенный из медных механических частей; его сотрудница Августа Ада изобрела программирование компьютера. Бесконечное перепроектирование машины Бэббиджем, проблемы с правильным изготовлением, противодействие критиков, контролирующих бюджет (некоторые сомневались в самой полезности компьютеров!), объединились, чтобы воспрепятствовать завершению проекта.

В этой же традиции Дэнни Хиллис и Брайен Сильверман лаборатории Искусственного интеллекта Массачусетского Технологического института построили специализированный механический компьютер, умеющий играть в крестики-нолики. Длиной и шириной в несколько метров, полный вращающихся валов и подвижных рамок, который представляли состояние доски и стратегию игры, он сейчас стоит в Музее компьютеров в Бостоне. Он выглядит во многом подобно большой молекулярной модели из шариков и палочек, поскольку он построен из конструктора «Тинкертой».

Медные механизмы и конструктор «Тинкертой» способствуют появлению больших, медленных компьютеров. Однако с компонентами шириной в несколько атомов, простой механический компьютер поместился бы в 1/100 кубического микрона, т. е. оказался бы во много миллиардов раз более компактным, чем сегодняшняя так называемая микроэлектроника. Даже с миллиардом байт памяти наномеханический компьютер мог бы поместиться в коробочку шириной один микрон, т. е. размером с бактерию. И был бы он быстрым! Хотя механические сигналы движутся примерно в раз медленнее, чем электрические сигналы в сегодняшних машинах, им бы требовалось проходить лишь 1/1 расстояния, поэтому задержка оказалась бы меньше. Поэтому простой механический компьютер будет работать быстрее, чем супербыстрые электронные компьютеры сегодня.

Электронные нанокомпьютеры, вероятно, будут в тысячи раз быстрее, чем электронные микрокомпьютеры, возможно, в сотни тысяч раз быстрее, если схема, предложенная Нобелевским лауреатом, физиком Ричардом Фейнманом, себя оправдает. Увеличенная скорость путём уменьшения размера - это старая история идея в электронике.

Дизассемблеры

Молекулярные компьютеры будут управлять молекулярными ассемблерами, обеспечивая быстрый поток инструкций, необходимых, чтобы направить размещение крупных совокупностей атомов. Нанокомпьютеры с молекулярными устройствами памяти будут также хранить данные, произведенные процессом, который является противоположным сборке.

Ассемблеры помогут инженерам синтезировать вещи; их родственники, дизассемблеры, помогут ученым и инженерам анализировать вещи. Что касается ассемблеров, они опираются на способность ферментов и химических реакций формировать связи и способность машин управлять процессом. Дизассемблеры же опираются на способность ферментов и химических реакций разрушать связи, и машин - управлять процессом. Ферменты, кислоты, окислители, металлы, щелочи, ионы и реагирующие группы атомов, называемые свободными радикалами, - все они могут разрушать связи и удалять группы атомов. Поскольку нет ничего, что было бы абсолютно невосприимчивым к коррозии, по-видимому, молекулярные инструменты будут способны что-либо разбирать, по нескольким атомам за раз. Что более существенно, наномашина могла бы (в случае необходимости и подходящего случая) также применять и механические силы, в результате освобождая группы атомов.

Наномашина, способная это делать, записываязапоминая, что она удаляет слой за слоем, - это дизассемблер. Ассемблеры, дизассемблеры и нанокомпьютеры будут работать вместе. Например, нанокомпьютерная система будет способна направить разборку объекта, записать его структуру, и потом управлять сборкой идеальной копии. И всё это ещё только некоторые намёки на реальную мощь нанотехнологии.

Обновлённый мир

Пройдут годы, пока появятся ассемблеры, но их появление кажется почти неизбежным: хотя путь к ассемблерам имеет много шагов, каждый шаг сделает следующий досягаемым, и каждый принесет непосредственный выигрыш. Первые шаги под названием "генная инженерия" и "биотехнология" уже предприняты. Кажутся вВозможными и другие пути к получению ассемблеров. Исключая разрушение мира или мировое господство, гонка технологий будет продолжаться, независимо от того, хотим мы этого или нет. И по мере того как успехи в проектировании с помощью ЭВМ будут ускорять развитие молекулярных инструментов, продвижение к ассемблерам будет ускоряться.

ЧтобыДля того чтобы иметь хоть какую-то надежду понять наше будущее, мы должны понять последствия появления ассемблеров, дизассемблеров и нанокомпьютеров. Они обещают повлечь изменения в нашей жизни столь же глубокфундаментальныие, как индустриальная революция, антибиотики и ядерные оружие, соединённые в один огромный прорыв. ЧтобыДля того чтобы понять будущее таких глубокифундаментальных изменений, имеет смысл поискать принципы изменений вообще – и эволюционных изменений, которые пережила жизнь, и изменений технологииизменения, которые пережили величайшие изменения открытия прошлого. Они окажутся для нас полезным руководством.

Глава 2. ПРИНЦИПЫ ИЗМЕНЕНИЭВОЛЮЦИИЙ

Вы можете представить себе процесс проектирования как, во-первых, генерирование альтернатив, а затем испытание этих альтернатив против целого ряда требований и ограничений.

ГЕРБЕРТ А. САЙМОН

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АССЕМБЛЕРЫ сделают такую революцию, какой не было со времён появления рибосом - примитивных ассемблеров в клетке. Получающаяся в результате нанотехнология может помочь распространению жизни вне Земли - шаг, не имеющий аналогов, начиная с распространения жизни вне морей. Это может помочь машинам обрести разум - шаг, не имеющий параллелей, с тех пор как разум появился в приматах. И это может позволять нашим умам обновлять и переделывать наши тела - шаг, вообще не имеющий аналогов.

Эти революции принесут опасности и возможности, слишком обширные, чтобы их могло вместить человеческое воображение. Все всё же принципы эволюционного изменения, которые выполнялись для молекул, клеток, животных, разума и машин, должны продолжать деятельность даже в век биотехнологии, наномашин и искусственного разума. Те же самые принципы, которые приложимы в море, на земле и в воздухе, должны сохраняться, когда мы будем распространять жизнь Земли к звездам. Понимание сохраняющихся принципов изменения поможет нам понять потенциал хорошего и плохого в новых технологиях.

Порядок из хаоса

Порядок может появляться из хаоса без чьих-либо распоряжений: хорошо организованные кристаллы конденсировались из бесформенного межзвездного газа намного раньше Солнца, Земли или появления жизни. Из хаоса также появляется кристаллический порядок и при в более знакомых обстоятельствах. Вообразите молекулу, возможно - правильную по форме, а возможно - неравномерную и узловатую, как корень имбиря. Теперь вообразите большое число таких молекул, перемещающихся беспорядочно в жидкости, переворачиваясь и толкаясь, как алкоголики, в невесомости и темноте. Вообразите испаряющуюся и охлаждающуюся жидкость, что заставляет молекулы быть ближе друг к другу, замедляя их движение. Будут ли эти беспорядочно перемещающиеся молекулы странной формы просто собираться в беспорядочных "кучах"? В общем случае - нет. Обычно они будут устанавливаться в кристаллическую структуру, каждый аккуратно устраиваясь напротив своих соседей, формируя строки и столбцы, такие же совершенные, как шахматная доска, хотя часто и более сложные.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22