Наномашина, способная это делать, записывая, что она удаляет слой за слое
м, Ц это дизассемблер. Ассемблеры, дизассемблеры, и нанокомпьютеры буду
т работать вместе. Например, нанокомпьютерная система будет способна на
править разборку объекта, записать его структуру, и потом управлять сбор
кой идеальной копии. И всё это Ц ещё только некоторые намёки реальной мо
щи нанотехнологии.

Обновлённый мир

Пройдут годы, пока появятся ассемблеры, но их появление кажется почти не
избежным: хотя путь к ассемблерам имеет много шагов, каждый шаг сделает с
ледующий досягаемым, и каждый принесет непосредственный выигрыш. Первы
е шаги под названием "генная инженерия" и «биотехнология» уже предпринят
ы. Кажутся возможными и другие пути к получению ассемблеров. Исключая ра
зрушение мира или мировое господство, гонка технологий будет продолжат
ься вне зависимости, хотим мы этого или нет. И по мере того, как успехи в про
ектировании с помощью ЭВМ ускоряют развитие молекулярных инструментов
, продвижение к ассемблерам будет ускоряться.
Чтобы иметь хоть какую-то надежду понять наше будущее, мы должны понять п
оследствия ассемблеров, дизассемблеров, и нанокомпьютеров. Они обещают
влечь изменения, столь же глубокие, как индустриальная революция, антиби
отики, и ядерные оружие, соединённые в один огромный прорыв. Чтобы понять
будущее таких глубоких изменений, имеет смысл поискать принципы измене
ния, которые пережили величайшие изменения прошлого. Они окажутся полез
ным руководством.

Глава 2. ПРИНЦИПЫ ИЗМЕНЕНИЙ


Вы можете представить себе п
роцесс проектирования как, во-первых, генерирование альтернатив, а зате
м испытание этих альтернатив против целого ряда требований и ограничен
ий.
ГЕРБЕРТ А. САЙМОН

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АССЕМБЛЕРЫ сделают такую революцию, какой не было со времё
н появления рибосом, примитивных ассемблеров в клетке. Получающаяся в ре
зультате нанотехнология может помочь распространению жизни вне Земли
Ц шаг, не имеющий аналогов, начиная с распространения жизни вне морей. Эт
о может помочь машинам обрести разум Ц шаг, не имеющий параллелей, с тех п
ор как разум появился в приматах. И это может позволять нашим умам обновл
ять и переделывать наши тела Ц шаг вообще не имеющий аналогов.
Эти революции принесут опасности и возможности, слишком обширные, чтобы
их могло вместить человеческое воображение. Все же принципы изменения, к
оторые выполнялись для молекул, клеток, животных, разума, и машинам, должн
ы продолжать деятельность даже в век биотехнологии, наномашин и искусст
венного 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 пон
ять потенциал для хорошего и плохого в новых технологиях.

Порядок из хаоса

Порядок может появляться из хаоса без чьих-либо распоряжений: хорошо ор
ганизованные кристаллы конденсировались из бесформенного межзвездно
го газа намного раньше Солнца, Земли, или появления жизни. Из хаоса также п
оявляется кристаллический порядок и при более знакомых обстоятельства
х. Вообразите молекулу, возможно правильную по форме, а, возможно, неравно
мерную и узловатую как корень имбири. Теперь вообразите большое число та
ких молекул, перемещающихся беспорядочно в жидкости, переворачиваясь и
толкаясь как алкоголики в невесомости и темноте. Вообразите испаряющую
ся и охлаждающуюся жидкость, что заставляет молекулы быть ближе друг к д
ругу и замеляя их движения. Будут ли эти беспорядочно перемещающиеся, мо
лекулы странной формы просто собираться в беспорядочных «кучах»? В обще
м случае Ц нет. Обычно они будут устанавливаться в кристаллическую стру
ктуру, каждый аккуратно устраиваясь напротив своих соседей, формируя ст
роки и столбцы, такие же совершенные, как шахматная доска, хотя часто боле
е сложные.
Этот процесс не включает ни волшебство, ни какие-то специальные свойств
а молекул и квантово-механических сил. Это даже не требует специальных с
оответствующих друг другу форм, которые позволяют молекулам белка само
стоятельно собираться в машины. Если положить мраморные шарики одинако
вого размера на поднос и встряхнуть, также выпадают в правильные рисунки
.
Кристаллы растут путём проб и удалением ошибок, путём варьирования и сел
екции. Никакие крошечные руки их не собирают. Кристалл может начинаться
со случая молекул, собирающихся в группу: молекулы блуждают, сталкиваютс
я, и собираются в группы случайным образом, но группа держится вместе луч
ше всего когда она упакована в правильную кристаллическую структуру. Да
лее в первоначальный маленький кристалл ударяются другие молекулы. Нек
оторые тыкаются в неправильные места или с неправильной ориентацией; он
и плохо прилипают и от колебаний вновь отваливаются. Другие по случаю по
падают нужным образом; они лучше прилипают и часто остаются. Слой строит
ся на слое, расширяя кристаллическую структуру. Хотя молекулы сталкиваю
тся случайным образом, они не прилипают случайно. Порядок растёт из хаос
а путём варьирования и селекции.

Эволюционирующие молекулы


В росте кристаллов, каждый слой образует шаблон для следующего. Однородн
ые слои накапливаются и формируют твердый блок.
В клетках нити ДНК или РНК также могут служить в качестве шаблонов при по
мощи ферментов, которые действуют как молекулярные копировальные маши
ны. Но элементы, из которых строятся нити нуклеиновых кислот, могут быть у
строены во многих различных последовательностях, и нить шаблона может о
тделиться от копии. И нить, и её копия могут далее снова быть скопированы.
Биохимик Сол Спиджельман использовал копировальные машины (белки из ви
руса) для экспериментов в испытательной пробирке. Говоря просто, безжизн
енная среда дуплицирует молекулы РНК.
Представьте себе нить РНК, плавающую в испытательной пробирке вместе с к
опировальными машинами и элементами РНК. Нить кувыркается и изгибается,
пока она не наталкивается на копировальную машину в правильном положен
ии, чтобы слипнуться. Элементы толкутся вокруг, пока один нужного вида не
встретит копировальную машину в правильном положении, которая соответ
ствует нити шаблона. Как только соответствующие элементы ухитряются по
пасть в нужное положение, машина захватывает их и привязывает их к расту
щей копии; хотя элементы сталкиваются случайным образом, машина связыва
ет выборочно. В конце концов машина, шаблон и копия разъединяются.
В терминологии зоолога Ричарда Давкинса из Оксфорда, объекты, которые де
лают копии себя, называются репликаторами. В этой окружающей среде молек
улы РНК подходят под определение: единственная молекула скоро превраща
ется в две, потом четыре, восемь, шестнадцать, тридцать две, и так далее, умн
ожаясь экспоненциально. Далее скорость репликации снижается: постоянн
ый запас белковых машин может производить копии только с какой-то скоро
стьюРНК, независимо от того, сколько молекул шаблона соперничают друг с
другом для их услуг. Ещё позже сырья для созданияРНК молекулы становится
недостаточно, и репликация задерживается вплоть до остановки. Быстро ра
стущее число молекул достигает предела росту и останавливает репродуц
ирование.
Копировальные машины, однако, часто копируют неправильно нить РНК, встав
ляя, удаляя, или неправильно сопоставив элемент нити. Получающаяся в рез
ультате нить с мутациями тогда отличается по последовательности элеме
нтов или длине. Такие изменения довольно случайны, и изменения накаплива
ются по мере того как скопированные с ошибкой молекулы снова копируются
с ошибкой. По мере того как молекулы размножаются, они начинают отличать
ся от своих предшественников и друг от друга. Это может выглядеть как рец
епт, приводящий к хаосу.
Биохимики нашли, что различающиеся молекулы РНК копируются с разными ск
оростями, в зависимости от их длин и структуры элементов. Потомки более б
ыстрых репликаторов естественно становятся более распространёнными. Д
ействительно, если один вид копируется только на 10 процентов быстрее чем
его собратья, то после одной сотни поколений, каждый из более быстрого ви
да даст в 1000 раз большее число потомков. Малые различия в экспоненциально
м росте накапливаются экспоненциально.
Когда в испытательной пробирке заканчиваются элементы, экспериментато
р может взять пробу его РНК и «заразить» новую пробирку. Процесс начинае
тся снова и молекулы, которые доминировали в первом раунде соревнования
начинаются с некоторой форой. Появляются маленькие изменения, по прошес
твии времени вырастая в большие. Некоторые молекулы размножаются быстр
ее, и их вид доминирует в смеси. Когда ресурсы исчерпываются, эксперимент
атор может взять пробу РНК и начать снова (и снова, и снова), сохраняя услов
ия стабильными.
Этот эксперимент показывает естественный процесс: независимо от того, с
какой последовательности РНК начинает экспериментатор, кажущийся хаос
случайных ошибок и копирование с систематическими ошибками выдвигает
вперёд один вид молекул РНК (плюс-минус некоторые ошибки копирования). Ег
о типичная версия имеет известную, четкую последовательность 220 элемент
ов. Это Ц лучший РНК репликатор в этой среде, так что он перенаселяет друг
ие и остаётся.
Копирование, растянутое во времени, копирование с ошибками и конкуренци
я всегда дают те же самые результат, независимо от длины или структуры мо
лекулы РНК, с которой начинается процесс. Хотя никто не мог бы предсказат
ь, какая структура выиграет, каждый может видеть, что изменение и конкуре
нция будут иметь тенденцию выдвигать единственного победителя. В такой
простой системе могло бы произойти кое-что ещё. Если эти репликаторы сил
ьно воздействуют друг на друга (возможно, путём выборочных атак или помо
щи друг другу), то результаты могли бы напоминать более сложную экологию.
Но как есть, они просто конкурируют за ресурсы.
Варьирование деталей в этом примере показывает нам кое-что еще: молекул
ы РНК приспосабливаются по-разному к различным окружающим средам. Молек
улярная машина, называемая рибонуклеазой захватывает молекулы РНК, име
ющие определённые последовательности элементов, находящихся на поверх
ности, и режет их пополам. Но молекулы РНК, подобно белкам, сворачиваются в
структуры в зависимости от их последовательности, и путём сворачивания
нужным образом они могут защищать свои уязвимые места. Экспериментатор
ы находят, что молекулы РНК развивают в процессе эволюции способность же
ртвовать быстрым размножением в пользу лучшей защиты, когда вокруг нахо
дится рибонуклеаза. Опять же, конкуренция способствует возникновению л
учшего.
Заметьте, что в это описание вкрались термины из биологии: так как молеку
лы копируются, слово «поколение» выглядит правильным; молекулы «происх
одящие» от общего «предка» Ц «родственники», а слова «рост», "размножен
ие", «мутация» и «конкуренция» также выглядят подходящими. Почему так? По
тому что эти молекулы копируют себя с небольшими изменениями, также как
это делают гены живых организмов. Когда различные репликаторы имеют раз
личный успех, наиболее успешные имеют тенденцию накапливаться. Этот про
цесс, где бы он ни происходил, есть "эволюция".
В этом примере испытательной пробирки мы можем наблюдать эволюцию, разд
етую до своих наиболее важных сущностных моментов, и освобождённую от пр
отиворечий, окружающих эволюцию жизни. Репликаторы РНК и белковые копир
овальные машины Ц это хорошо определённые наборы атомов, подчиняющихс
я хорошо понимаемым принципам и эволюционирующих в воспроизводимых ла
бораторных условиях. Биохимики могут делать РНК и белки из химических ве
ществ, взятых "с полки", без помощи жизни.
Биохимики заимствуют эти копировальные машины от какого-либо вида виру
са, который инфицирует бактерии и использует РНК как генетический матер
иал. Эти вирусы выживают, входя в бактерию, получая свои копии путём испол
ьзования её ресурсов, и затем выходя наружу, чтобы инфицировать новый ба
ктерии. Копирование вирусной РНК с ошибками производит вирусы с мутация
ми, и вирусы, которые копируют себя более успешно, становятся более распр
остранёнными; это Ц эволюция естественным отбором, очевидно названная
«естественной» потому что она включает части природы, не относящиеся к ч
еловеку. Но в отличие от РНК из испытательной пробирки, вирусные РНК долж
ны делать нечто большее, чем просто скопировать себя как просто молекулы
. Успешные вирусные РНК должны также направлять бактериальные рибосомы
для построения белковых устройств, которые, во-первых, позволяют им выби
раться из старых бактерий, потом выживать снаружи, и в конце концов входи
ть в новые бактерии. Эта дополнительная информация делает молекулы виру
сных РНК длинной около 4500 элементов.
Чтобы копироваться успешно, ДНК больших организмов должны делать даже б
ольше, направляя строительство десятков тысяч различных белковых маши
н и развитие сложных тканей и органов. Это требует тысяч генов, закодиров
анных в миллионах или даже миллиардах элементов ДНК. Тем не менее принци
пиально процесс эволюции путём вариации и селекции сохраняется тем же с
амым и в испытательной пробирке, и в вирусах, и во многих других случаях.

Объяснение порядка

Имеется по крайней мере три способа объяснить структуру населения моле
кулярных репликаторов, появившуюся в ходе эволюции, будь то РНК испытате
льной пробирки, вирусные гены, или человеческие гены. Первый вид объясне
ния Ц методичное прослеживание их историй:
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