Экспериментатор в движенье вверх-вниз
Видит простор там, где мне видна стена.
Он считает, что прав, он уверен в идее,
Он в каждом процессе достигает дна.
Доктор Кинчев. “Экспериментатор”
О нанотехнологии и нанороботах
О нанотехнологии (НТ) сегодня пишут достаточно много; напомню только основные ее положения. Предполагается, что НТ позволит людям манипулировать отдельными атомами, благодаря чему удастся создавать редкие вещества, вещества с принципиально новыми характеристиками и информационные хранилища невиданной емкости.
Отдельная область НТ изучает возможность разработки нанороботов (НР) - устройств размером в единицы и десятки нанометров (1 нм составляет 10-9 м, т. е. одну миллиардную долю метра), которые смогут самостоятельно манипулировать отдельными атомами и путем их перестановок: 1) самовоспроизводиться, 2) создавать из произвольного подручного материала (земли, воды) любые заказанные предметы - машины, одежду, пищу, 3) путешествовать по человеческому телу и, проникая в клетки, удалять из них шлаки, восстанавливать поврежденные внутриклеточные объекты и ДНК, улучшать генные структуры и тем самым поддерживать практически вечное существование живого организма и даже совершенствовать человеческую породу.
НТ сулит человечеству золотую эру. Исчезают все проблемы, связанные с бедностью и болезнями. Но возможна ли реализация идей НТ на практике?
Осуществить перемещение отдельных атомов удалось впервые в 1981 г., когда швейцарские ученые Бининг и Рорер, сотрудники IBM, разработали сканирующий туннельный микроскоп. Однако переставлять атомы вручную с практической точки зрения бессмысленно, поэтому сегодня многие организации в наиболее развитых странах ведут свои исследования по НТ. Американская некоммерческая структура Foresight Institute (www.foresight.org) обещает 250 тыс. долл. тому, кто сможет создать наноруку для манипуляции отдельными атомами и молекулами в кубе со стороной 100 нм и компьютерное наноустройство, складывающее два 8-битных числа и умещающееся в кубе со стороной 50 нм. В ближайшие три года в США запланировано удвоение финансирования исследований по НТ. На 1999 г. отпущено 232 млн. долл.
Роботостроители-оптимисты
Теория НР занимает в НТ отдельную нишу, так как возможная отдача от инвестиций в это направление потенциально безгранична. Данная теория основывается на работах Ричарда Фейнмана и Джона фон Неймана, автора кибернетики и теории самовоспроизводящих систем. Сегодняшний преемник их идей американский физик Эрик Дрекслер работает в Институте молекулярной промышленности в Лос-Алтосе. Он считает, что стратегической целью НТ должна стать самовоспроизводящаяся система. Сначала вручную будут сконструированы Ассемблеры - НР, способные создать из любого материала любую вещь, заказанную человеком, а затем уже они построят единственный экземпляр Репликатора - самовоспроизводящегося НР, который наделает себе подобных в нужном количестве и без малейших усилий со стороны человека. После этого, очевидно, наступит золотой век.
Хотя с 80-х годов практических результатов в области нанороботостроения получено не было, Эрик Дрекслер и его сторонники настроены оптимистично. На чем же основана их уверенность? На том, что Репликаторы в нашем мире уже существуют, а следовательно, их можно создавать и искусственно.
Согласно терминологии Foresight Institute, всем известный (причем только с плохой стороны) вирус - это Репликатор, который, будучи введенным в клетку хозяина, может настроить молекулярные системы клетки таким образом, чтобы она создавала новые вирусы. В работах по НР постоянно встречаются ссылки на понятие “вирус” и упоминается возможность создания искусственных вирусов - типичных НР. Действительно, достижения вирусологии сегодня активно применяются в генной инженерии, и пока “вирусное” направление в НТ представляется наиболее перспективным. Запустив в человека мириады НР, функционирующих по принципу вирусов, нанотехнологи собираются создать своеобразный симбиоз человека и вируса - ЧеловекоВирус (который, возможно, и размножаться будет - как с деланным ужасом пел Высоцкий - “почкованием”).
Вирус под туннельным микроскопом
Чтобы попытаться оценить практическую возможность создания НР на базе вирусов, давайте прежде всего разберемся, что же такое сам вирус (предварительно стоит прочитать статью Влада Борисова о ДНК-компьютерах).
Вирус был открыт русским ученым Д. И. Ивановским в 1892 г. Он имеет размеры от десятков до сотен нанометров и вне клетки существует в кристаллической неактивной форме, представляя собой белковый мешочек, в котором хранится геном вируса - молекула РНК (и больше ничего!). В обычный микроскоп вирус не виден, так как его размеры меньше длины световой волны. Механизмы жизнедеятельности вируса изучены очень плохо (в отличие от процессов его жизнедеятельности). Невыясненные моменты далее в тексте помечаются особо.
Когда кристалл вируса, способный существовать в неактивной форме очень долго, непосредственно контактирует с клеткой (под влиянием каких воздействий?), он проникает (как?) сквозь мембрану клетки (некоторые вирусы прокалывают мембрану специальным хоботком, но далеко не все), теряя при этом свою оболочку, и от него остается одна молекула РНК, которая целенаправленно (под воздействием чего?) добирается до рибосомы (своего рода живого аналога наноробота размером около 20 нм, в каждой клетке насчитывается множество рибосом) и перепрограммирует ее (каким способом?) на воспроизводство белковых оболочек для вирусов и собственных копий (вместо нужных клетке веществ). Затем эти отдельные части собираются в новые вирусы (почему?).
Интересно, что у живых существ не встречается механизм репликации генов в форме РНК - только в форме ДНК.
Известно несколько классических определений жизни. Одно из них гласит, что жизнь - это самовоспроизводство организмов путем синтеза белка на рибосомах под управлением нуклеиновых кислот. Вирус под такое определение жизни не подпадает, потому что он сам ничего не синтезирует (не имеет собственного обмена веществ) и не осуществляет самовоспроизводство - после активизации он сразу распадается, растворяется, просто передавая свой ген клетке-хозяину, которая начинает рождать новые вирусы. Многие ученые относят вирусы к промежуточным формам между живой и неживой материями, считают их второй, небелковой, информационной формой жизни на Земле, единственная цель которой - это паразитическое (требуется обязательное наличие целевой клетки) воспроизводство себе подобных путем собственной гибели (с попутным разрушением клетки-хозяина). Вообще, вирусы выглядят чем-то совершенно неестественным, чуждым и лишним в нашем мироустройстве.
Но для поклонников НТ именно вирусы сегодня представляются идеальной и перспективной моделью для создания НР на их основе. С точки зрения нанотехнологов, вирус - не что иное, как НР, который надо только немного улучшить и научить его функционировать вне клетки.
Наследники признаков
Скажи мне, наследуются ли приобретенные признаки, и я скажу, кто ты.
Информационные технологии волей-неволей пересекаются с реалиями окружающего мира и испытывают на себе давление мощнейших финансовых групп, лоббирующих подчас совершенно различные политические интересы. Особенно остро ощущается это в ситуации с генными технологиями; их использование вызывает подчас как полную поддержку, так и очень резкие протесты со стороны всевозможных политических и общественных организаций. Это связано с тем, что в генетике существуют две школы, представители одной из которых утверждают, что приобретенные организмом в течение жизни признаки (физиологические и психологические характеристики) наследуются (передаются потомкам) практически всегда; представители другой такую возможность в принципе категорически отрицают. Если эти признаки действительно передаются, то получается, что можно целенаправленно выращивать общности человеческих и других белковых особей с любыми признаками, формируемыми с помощью соответствующей государственной политики (примеры - современная американская масс-культура или монументальные проекты в духе советской гигантомании и попытки скрестить яблоню с грушей). Если же признаки не наследуются, то выходит, что исторически предопределено существование на земле избранных рас суперлюдей, которым свыше (или “сниже”, на генетическом уровне) предназначено править расами неполноценными, недоразвитыми, потенциально неспособными к самосовершенствованию (немало сторонников этого направления в генетике было среди национал-социалистов в Германии 30-х годов).
Современные ученые считают, что среди представителей любой расы и национальности есть люди, которые могут наследовать признаки, и есть люди, которые эти признаки не будут наследовать ни при каких условиях.
А обладают ли вирусы способностью наследовать приобретенные признаки? Еще какой! Принципы такого наследования (мутации вирусов) очень показательны и в решающей степени определяют практическую возможность создания НР.
Лохотрон XXI века
В начале нашего столетия, когда стали активно развиваться такие науки, как биология и генетика, когда были опубликованы работы Менделя, в Европе и Америке возник настоящий бум, связанный с неожиданно возникшими надеждами на возможность оживления умерших и скорейшее достижение бессмертия. Солидные издания всерьез обсуждали перспективы омоложения и вечной жизни, а ведущие обозреватели рассуждали о том, что будет очень обидно, если не удастся дотянуть до бессмертия какой-то десяток лет. В крайнем случае планировалось прибегнуть к замораживанию организма, чтобы дотянуть до лучших времен (один из результатов подобных “научных” изысков у нас до сих пор перед глазами).
Как ни удивительно, но сегодня статьи по НТ иногда слово в слово повторяют своих предшественниц восьмидесятилетней давности - дескать, осталось подождать совсем немного. И снова вспыхивают надежды на грядущее бессмертие и изобилие, шелестят зеленые купюры и заполняются криогенные саркофаги жаждущими дотянуть до нанотехнологичного Завтра.
Увы, серьезной критики постулаты НТ не выдерживают. Проектировщики НР (в частности, разработчики из компании Xerox) признают сложность задачи и поэтому предлагают такой подход: сначала создаются простейшие НР (например, элементарные руки-сборщики), которые затем создают более хитроумные конструкции с качественно новыми возможностями, те в свою очередь - еще более сложные, и т. д. Идея заимствована из живой природы - именно по такому принципу работает вирус СПИДа. Первоначально с простой вирусной РНК считывается молекула вирусной ДНК (механизм обратной транскриптазы, работающий только у вирусов), встраивающаяся затем в сложную ДНК клетки, с которой обратно считываются вирусные РНК и передаются рибосомам для синтеза вирусного белка. При этом считывание вирусной ДНК (информационный процесс, подобный программированию) происходит с большим числом ошибок (а когда в программировании удавалось обходиться без них?), что приводит к появлению множества мутирующих вариантов вирусов. Новые признаки, приобретенные из-за сбоев в работе, наследуются мгновенно, и именно из-за ошибок копирования и высокой скорости самовоспроизводства многие вирусы столь быстро меняют свои характеристики и не поддаются действию старых лекарств.
Сегодня неизвестны сложные компьютерные программы, которые не имели бы ошибок. А ведь они значительно проще, чем программы, которые потребуются для управления и синхронизации работы триллионов микроскопических существ, путешествующих по человеческому телу, для организации быстрой обратной связи с ними, отслеживания их работы в реальном масштабе времени. Никто не даст гарантии, что первое же поколение нанороботов, запущенное в человеческий организм, под влиянием самых разных причин не допустит ошибок при сборке и не создаст неуправляемые версии саморазмножающихся устройств. Интересно, что в компании, занимающиеся генными технологиями, инвестирует свои средства Билл Гейтс. Можно себе представить результат работы армии нанороботов, функционирующей под управлением Windows NanoTechnology...
Кроме того, хотя НР должны строго подчиняться заданному алгоритму поведения, вирусы, их потенциальные предшественники, состоящие из белкового мешочка и одной РНК, проявляют определенные признаки неведомого разума - их поведение сложно объяснить каким-то чисто механическим или химическим воздействием.
Вот что вирусоведам пока до конца непонятно:
- какие факторы стимулируют вирус к началу активной деятельности;
- почему вирусы выбирают для атаки клетки с ослабленными мембранами;
- почему одни и те же вирусы способны размножаться в разных тканях человека;
- как вирусы проникают сквозь мембрану;
- как вирусы находят рибосомы и выполняют их перепрограммирование;
- как вирусные ДНК встраиваются в ДНК клетки;
- каким способом клетке удается прервать синтез вирусных РНК (в частности, как работает белок интерферон, прерывающий этот синтез).
Вдобавок, нет серьезных теорий, доказывающих эволюционное происхождение вирусов.
Попытка объяснить любую из этих проблем натыкается на слишком небольшие размеры вирусов - ведь анализировать-то особо нечего!
Непредсказуема и реакция организма на вторжение инородных тел. В частности, эффект сильного иммунного ответа организма (механизм которого непонятен) на внедрение чужеродных конструкций, созданных методами современной генной инженерии, как раз используется сегодня для создания вакцин против СПИДа. И хотя НР могут быть таких размеров, что антитела их просто не заметят, тем не менее принципы работы иммунной защиты настолько не исследованы, что предсказать ее реакцию на активную работу НР невозможно.
Еще один нюанс, который нельзя не учитывать при создании НР и который, возможно, лежит в основе ответов (но не решений) на обозначенные выше вопросы, - это влияние законов нерелятивистской квантовой механики на функционирование структур размером в десятки атомов. Такие действия можно предсказать только с определенной долей вероятности. Нельзя не учитывать воздействие броуновского движения и ряда физических законов. Все это неизбежно ведет к возникновению и развитию теоретически неустранимых погрешностей в работе наноустройств.
Пути и перспективы
Чего же реально можно ожидать от нанотехнологий? Скорее всего, они окажутся весьма эффективными при создании сверхъемких хранилищ информации. Возможно, удастся получать вещества с новыми характеристиками, только обходиться такие работы будут очень недешево. (И золото сегодня можно получать искусственно, просто при таком производстве не оправдываются вложенные средства.) С помощью НТ будут созданы новые лекарства (и наверняка кое-что похуже). Не исключено, что удастся построить ДНК-компьютеры. Сегодня прогнозы о развитии НТ делаются по принципу “или шах умрет, или ишак сдохнет” - результаты ожидаются не ранее середины XXI века, а деньги под соответствующие исследования выбиваются, конечно, сейчас.
Реальных шансов на то, что нанороботы появятся по крайней мере в ближайшие сто лет, нет никаких. Для создания искусственных НР надо предварительно суметь победить естественные НР - вирусы. В этой связи интересно мнение нобелевского лауреата Джошуа Ледерберга, который считает, что человек существует в эволюционной борьбе с вирусами, и Ледерберг не уверен, что человек выиграет эту борьбу, особенно если учитывать современные темпы распространения СПИДа.
Так удастся ли когда-нибудь человеку стать “живее всех живых” - перепрограммировать свой организм, превратиться в “разумный вирус”, возвыситься над “примитивными” белковыми существами? Это, как говорил известный киногерой товарищ Сухов, - вряд ли !
Автору можно написать по адресу: sbo@pcweek.ru.
