Какие будут выводы?

Во всем, что я описал, я в большой мере основывался на доказанных фактах хи
мии и молекулярной биологии. Однако, люди регулярно поднимают некоторые
вопросы, уходящие корнями в физику и биологию. Эти вопросы заслуживают б
олее прямых ответов.
Не сделает ли принцип неопределённости квантовой физики молекулярные
машины неосуществимыми?
Это принципиальное утверждение (среди других), что не может быть определ
ено точное местоположение частицы в течение любого отрезка времени. Это
ограничивает то, что молекулярные машины могут делать, также, как это огр
аничивает то, что может делать что угодно еще. Тем не менее, вычисления пок
азывают что принцип неопределённости накладывает мало существенных ог
раничений на то, насколько хорошо атомы могут помещаться на какое-то мес
то, по крайней мере для тех целей, которые обрисовываются здесь. Принцип н
еопределённости делает местоположение электронов довольно расплывча
тым, и в действительности эта расплывчатость определяет сам размер и стр
уктуру атомов. Атом как целое, однако, имеет сравнительно определённое м
естоположение, установленное своему относительно массивному ядру. Есл
и бы атомы не сохраняли своё положение сравнительно хорошо, молекулы бы
не существовали. Квантовой механики не требуется, чтобы доверять этим за
ключениям, поскольку молекулярные машины в клетке демонстрируют, что мо
лекулярные машины работают.
Не сделают ли тепловые вибрации молекул молекулярные машины неработос
пособными или слишком ненадёжными, чтобы их использовать?
Тепловые колебания причинят большие проблемы чем принцип неуверенност
и, однако здесь снова существующие молекулярные машины непосредственн
о демонстрируют, что молекулярные машины могут работать при обычных тем
пературах. Несмотря на тепловые колебания, механизмы копирования ДНК в н
екоторых клетках делают меньше чем одну ошибку на 100 000 000 000 операций. Чтобы до
стичь такой точности, однако, клетки используют машины (такие как фермен
т ДНК-полимераза I), которая проверяет копию и исправляет ошибки. Для ассе
мблеров вполне может быть необходима аналогичные способности проверки
и исправления ошибок, если они предназначены выдавать надёжные результ
аты.
Не будет ли радиация разрушать молекулярные машины или делать их неприг
одными для использования?
Радиация высокой энергии может нарушать химические связи и разрушать м
олекулярные машины. Живые клетки еще раз показывают, что решения существ
уют: они работают в течение лет, восстанавливая и заменяя поврежденные р
адиацией части. Однако поскольку каждая отдельная машина такая крошечн
ая, она представляет собой маленькую цель для радиации и радиация редко
в неё попадает. Всё же, если система наномашин должна быть надёжна, то она
должна выдерживать определённое количество повреждений, а повреждённы
е части должны регулярно чиниться или заменяться. Этот подход к надёжнос
ти 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 мо
лекулярные машины клеток. Они представляют собой простое и мощное доказ
ательство, что законы природы позволяют маленьким группам атомов вести
себя как управляемым машинам, способным строить другие наномашины. Одна
ко вопреки тому, что они в основе напоминают рибосомы, ассемблеры будут о
тличаться от всего, что находится в клетках; хотя они состоят в обычных дв
ижениях молекул и реакциях, то, что они делают, будет иметь новые результа
ты. 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 всегд
а полагалась только на белковые машины. Но говорит ли это о том, что усовер
шенствования были невозможны? Эволюция идёт небольшими изменениями, и э
волюция ДНК не может легко заменить ДНК. Так как система ДНК-РНК-рибосома
специализирована для построения белков, жизнь не имела никакой реально
й возможности развить альтернативный вариант. Любой производственный
менеджер хорошо может оценить причины этого; жизнь Ц больше чем фабрика
, она не может себе позволить прекратить деятельность, чтобы заменить св
ои 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, реак
тивные самолеты летают быстрее соколов, и компьютеры уже считают быстре
е самых талантливых из людей. Будущее даст новые примеры улучшений в био
логической эволюции, из которых второе поколение наномашин будет лишь о
дним.
В физических терминах, достаточно ясно, почему усовершенствованные асс
емблеры будут способны делать больше чем существующие белковые машины.
Они будут программироваться подобно рибосомам, но они будут способны ис
пользовать более широкий диапазон инструментов чем все ферменты в клет
ке вместе взятые. Поскольку они будут сделаны из материалов намного боле
е прочных, твёрдых и устойчивых, чем белки, они будут способны развивать б
ольшие 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 изм
ерениях под программным управлением, делая возможным точную сборку сло
жных объектов. Эти преимущества будут давать им возможность собирать на
много более широкий спектр молекулярных структур, чем это делали живые к
летки.
Не имеет ли жизнь в себе нечто особое сверхъестественное, без чего молек
улярные машины не будут работать?
Можно было бы сомневаться, что искусственные наномашины могли бы даже пр
иблизиться к способностям наномашин в клетке, если бы была причина думат
ь, что в клетках есть нечто сверхъестественное, что заставляет их работа
ть. Эта идея называется «витализм». Биологи отказались от неё потому что
они нашли химические и физические объяснения для каждого уже изученног
о аспекта живой клетки, включая движение, рост и воспроизводство. Действ
ительно, это знание является самой основой биотехнологии.
Наномашины, плавающие в стерильных испытательных пробирках вне клеток,
заставили выполнять все основные виды действий, которые они выполняют в
нутри живых клеток. Начиная с химических веществ, которые могут быть пол
учены из дыма, биохимики построили работающие белковые машины без помощ
и клеток. Р.Б. Меррифилд, например, использовал химические приёмы для сбор
ки простых аминокислот в рибонуклеазу поджелудочной железы бычка, комп
лекс ферментов, который разбирает на части молекулы РНК. Жизнь специфичн
а по структуре, по поведению, а также по тому, что она чувствует изнутри по
поводу того, что она жива, но законы природы, которые управляют механизма
ми жизни, также управляют всей остальной вселенной.
Доказательства реализуемости ассемблеров и других наномашин могут каз
аться обоснованным, но почему бы просто не подождать и не посмотреть, дей
ствительно ли они могут быть разработаны?
Чистое любопытство кажется причиной, достаточной, чтобы исследовать во
зможности, открытые нанотехнологией, но есть более сильные причины. Эти
достижения охватят мир в пределах от десяти до пятидесяти лет, то есть в п
ределах сроков жизни наших собственных или членов наших семей. Что более
существенно, заключения следующей главы подсказывают, что политика «по
дождём-посмотрим» была бы слишком дорогой: она бы стоила миллионы жизне
й, и, возможно, конец жизни на Земле.
Является ли доказательство реализуемости нанотехнологии и ассемблеро
в достаточно обоснованными, чтобы быть принятыми серьезно? По-видимому
это так, поскольку суть доказательства опирается на два известных факта
науки и конструирования. Они следующие: (1) что существующие молекулярные
машины служат целому ряду простых функций, и (2) что части, служащие этим пр
остым функциям, могут быть скомбинированы так, чтобы строить сложные маш
ины. Поскольку химические реакции могут связывать атомы различным обра
зом, и поскольку молекулярные машины могут направлять химические реакц
ии в соответствии с программными инструкциями, ассемблеры определённо
реализуемы.

Нанокомпьютеры

Ассемблеры принесут одно крупное достижение очевидной и фундаментальн
ой важности: инженеры будут их использовать, чтобы сократить размер и ст
оимость микросхем компьютера и ускорить их функционирование на много п
орядков.
С сегодняшней балк-технологией инженеры делают схемы на кремниевых чип
ах, обстреливая их атомами и фотонами, но схемы остаются плоскими и неизб
ежны дефекты молекулярного масштаба. С ассемблерами, однако, инженеры бу
дут строить схемы в трёх измерениях и строить с точностью до атома. Точны
е ограничения электронной технологии сегодня остаются неопределённым
и, поскольку квантовое поведение электронов в сложных сетях крошечных с
труктур представляет собой сложные проблемы, некоторые из них проистек
ают напрямую из принципа неопределённости. Но где бы ни были ограничения
, однако, они будут достигнуты с помощью ассемблеров.
Самые быстрые компьютеры будут использовать электронные эффекты, но са
мые маленькие могут не использовать. Это может казаться странным, однако
сущность вычисления не имеет никакого отношения к электронике. Цифрово
й компьютер Ц собрание выключателей, способных включать и выключать др
уг друга. Его переключатели начинают в одном положении (возможно, предст
авляющем собой 2+2), далее переключают друг друга в новое положение (предст
авляющем собой 4), и т. д. Такие схемы могут отображать почти всё что угодно.
Инженеры строят компьютеры из крошечных электронных переключателей, с
вязанных проводами просто потому что механические переключатели, связ
анные палочками или ниточками были бы сегодня большими, медленными, нена
дёжными и дорогими.
Идея относительно полностью механического компьютера вряд ли нова. В Ан
глии в течение середины 1800-х, Чарльз Баббаг изобрел механический компьют
ер, построенный из медных механических частей; его сотрудница Августа Ад
а, графиня лавеласов, изобрела программирование компьютера. Бесконечно
е перепроектирование машины Баббагом, проблемы с правильным изготовле
нием, противодействие критиков, контролирующих бюджет (некоторые сомне
вались в самой полезности компьютеров!), объединились, чтобы воспрепятст
вовать завершению проекта.
В этой же традиции Дэнни Хиллис и Брайен Силверман лаборатории Искусств
енного интеллекта Массачусетского Технологического института постро
или специализированный механический компьютер, умеющий играть крестик
и-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 подо
бно большой молекулярной модели из шариков и палочек, поскольку он постр
оен из конструктора Тинкертой.
Медные механизмы и конструктор Тинкертой способствуют появлению больш
их, медленных компьютеров. Однако с компонентами шириной в несколько ато
мов, простой механический компьютер поместился бы в 1/100 кубического микро
на, т. е. оказался бы во много миллиардов раз более компактным, чем сегодня
шняя так называемая микроэлектроника. Даже с миллиардом байт памяти нан
омеханический компьютер мог бы поместиться в коробочку шириной один ми
крон, т. е. размером с бактерию. И был бы же он быстрым! Хотя механические си
гналы движутся около 100 000 раз медленнее чем электрические сигналы в сегод
няшних машинах, им бы требовалось проходить лишь 1/1 000 000 расстояния, поэтому
задержка оказалась бы меньше. Поэтому простой механический компьютер б
удет работать быстрее чем супербыстрые электронные сегодня.
Электронные нанокомпьютеры вероятно будут в тысячи раз быстрее чем эле
ктронные микрокомпьютеры, возможно, в сотни тысяч раз быстрее, если схем
а, предложенная Нобелевским лауреатом, физиком Ричардом Фейнманом себя
оправдает. Увеличенная скорость путём уменьшения размера Ц это старая
история в электронике.

Дизассемблеры

Молекулярные компьютеры будут управлять молекулярными ассемблерами, о
беспечивая быстрый поток инструкций, необходимых, чтобы направить разм
ещение крупных совокупностей атомов. Нанокомпьютеры с молекулярными у
стройствами памяти будут также хранить данные, произведенные процессо
м, который является противоположным сборке.
Ассемблеры помогут инженерам синтезировать вещи; их родственники, диза
ссемблеры, помогут ученым, и инженерам анализировать вещи. Что касается
ассемблеров, они опираются на способность ферментов и химических реакц
ий формировать связи, и способность машин управлять процессом. Дизассем
блеры же опираются на способность ферментов и химических реакций разру
шать связи, и машин Ц управлять процессом. Ферменты, кислоты, окислители,
металлы, щелочи, ионы и реагирующие группы атомов, называемых свободными
радикалы Ц все могут разрушать связи и удалять группы атомов. Поскольк
у нет ничего, что было бы абсолютно невосприимчивым к коррозии, по-видимо
му, молекулярные инструменты будут способны что-либо разбирать, по неск
ольким атомам за раз. Что более существенно, наномашина могла бы (в случае
необходимости и подходящего случая) также применять и механические сил
ы, в результате освобождая группы атомов.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47