Нано роботи. Бестиарий. нанороботи - светът на научната фантастика и фентъзи. Нанороботи

Дълго време научната фантастика предполагаше, че в бъдеще малки нанитни роботи ще бъдат използвани за решаване на различни проблеми. Нанитите ще могат да се борят с вирусни инфекции, да служат като куриери, доставящи лекарства, да помагат на лекарите да извършват съответните операции и т.н. Преди време беше обявено, че прототип на такива нанити вече е представен от шведски учени, но този прототип е несъвършен, за тях беше невъзможно да се справят.

Наноботите или наноботите са роботи, сравними по размер с молекула (по-малко от 100 nm), с функции за движение, обработка и предаване на информация и изпълнение на програми.

Нанороботите, способни да създават свои копия, тоест да се самовъзпроизвеждат, се наричат репликатори. Възможността за създаване на нанороботи е обсъдена в книгата му „Машини за създаване“ от американския учен Ерик Дрекслър.

Други дефиниции описват наноробот като машина, способна да взаимодейства точно с наномащабни обекти или способна да манипулира обекти в наномащаб. В резултат на това дори големи устройства като микроскоп с атомна сила могат да се считат за нанороботи, тъй като те манипулират обекти в наномащаб. Освен това дори конвенционалните роботи, които могат да се движат с наномащабна прецизност, могат да се считат за нанороботи.

В допълнение към думата „наноробот“ се използват и изразите „нанит“ и „наноген“, но технически правилният термин в контекста на сериозни инженерни изследвания все още остава първият вариант.

По-интересна и работеща версия на нанитите е създадена от учени от Калифорнийския университет. Резултатът от техните изследвания са микроскопични роботи, способни да доставят лекарства в тялото, без да причиняват болка или странични ефекти.

Създадените роботи носели върху себе си частици от лекарства, използвайки газови мехурчета като гориво. Газът, между другото, е отпадъчен продукт на живото същество, той се образува в стомаха. Първият тестер беше лабораторна мишка, но тя не изпита никакъв дискомфорт и остана непокътната.

Учените казват, че този резултат показва голям напредък в индустрията, тъй като създадените от тях роботи са можели да се движат в тялото със скорост от 60 микрометра в секунда. За да достави лекарството до местоназначението (и в този експеримент те трябваше да стигнат до лигавицата на стомаха), отне известно време, докато роботите останаха в стомаха около дванадесет часа, което им позволи да инжектират прецизно лекарство и да се постигне максимална ефективност на неговото действие.

След като нанитите бяха в тялото на мишката, беше извършена аутопсия, която показа, че роботите са преминали през целия път абсолютно безопасно и не са причинили увреждане на тъканите. Нивото на токсично замърсяване обаче остава в нормални граници. Това предполага, че учените са постигнали целта си и са получили роботи, които ще бъдат използвани в бъдеще за подобряване на ефективността на лечението.

Сега учените мислят как да увеличат скоростта на движение, както и за алтернативно гориво, тъй като използването на газ може да повлияе негативно на човешкото състояние.

Статия за конкурса „био/мол/текст”: Статията описва подходи за разбиране на структурата на клетката - от идеите на теоретичната биология и протеиново-машинните концепции до съвременните подходи и открития: нанороботи, микротубули и геномно секвениране. Съвместната, прецизно координирана работа на милиони нанороботи създава онзи уникален феномен, който наричаме живот.

Генерален спонсор на състезанието е компанията: най-големият доставчик на оборудване, реактиви и консумативи за биологични изследвания и производство.

Спонсор на наградата на публиката и партньор на номинацията „Биомедицината днес и утре” беше фирма „Инвитро”.

Спонсор "Книга" на конкурса - "Алпина нехудожествена литература"

Цитология - наука за клетките

Фигура 4. Корицата на книгата от Ервин Бауер

Разбира се, в известен смисъл звездата също е „процес“, точно като клетка: звездата превръща водорода в хелий и накрая, когато цялото гориво в нея изгори, тя „умира“. И дори най-обикновената табуретка, ако се вгледате внимателно, не остава завинаги такава, каквато е направена: боята се олющва, дървото постепенно изсъхва или изгнива, крепежите се разхлабват... Но жива клетка (и жив организъм като цяло) е фундаментално различен от тези мъртви обекти.

Замисляли ли сте се защо камъкът безразлично се подчинява на действието на външна сила, а живото същество се съпротивлява? Защо пръчката се носи по течението, а рибата, която отива да хвърля хайвера си, изминава десетки километри срещу нея? Защо в крайна сметка ние с вас можем да определяме поведението си, преодолявайки пречките, които външният свят ни поставя?

Първата сериозна стъпка към разбирането на тези неща е направена от съветския биофизик Ервин Бауер, който излага принципа на стабилното неравновесие:

„...живите системи никога не са в равновесие и поради свободната си енергия непрекъснато извършват работа срещу равновесието, изисквано от законите на физиката и химията при съществуващи външни условия“(фиг. 4).

С други думи, „живата система“ в известен смисъл нарушава законите на физиката и химията! Но тя ги нарушава само с тяхна помощ. Един жив обект, използвайки химикали и физически взаимодействия, може да преодолее гравитацията, да се бори с водния поток и движението на въздуха, да направи вредните вещества полезни (например ужасния окислител кислород, който от химическа гледна точка не е по-добър от хлора, ни дава възможност да дишаме и благодарение на това придобива енергия; като цяло историята на борбата с окислителните радикали е представена ясно в статията „ Комикс за голямата битка между радикалите и антиоксидантите» ).

Но „равновесието“ не е само състояние, в което например везните са балансирани и спират да се люлеят. Газът е в равновесно положение, когато изтича от цилиндъра във въздуха на помещението и се смесва с атмосферата. Печката е в равновесие с околния въздух, когато напълно отдаде топлината си. Клонът на физиката - науката за термодинамиката - гласи, че когато система, състояща се от много молекули, се стреми към равновесие, безпорядъкът (хаосът) се увеличава в тази система. Мярката за хаоса се нарича " ентропия" В затворени системи ентропията може само да нараства. Но живите клетки са отворени, а не затворени системи. Следователно те могат да устоят на увеличаването на ентропията. Работейки срещу баланса, живите същества въвеждат ред в света и всяка секунда се борят с хаоса, който ги завладява от всички страни. Лисиците копаят дупка и се спасяват от зимния студ в нея, бобрите изграждат бентове и повишават нивото на водата, която сама по себе си се стреми да се разстила по повърхността във възможно най-тънък слой.

Всеки жив организъм извършва такова чудо всяка секунда. Но всяка жива клетка се държи по абсолютно същия начин. Използвайки примера на неговото поведение, което е по-просто от поведението на големите организми (въпреки че клетъчното поведение не е толкова просто, колкото изглежда), може да се опитаме да разберем какво е животът и как точно се бори с „равновесието“.

Цитологията напредва

Нанороботи – измислица и реалност

В края на миналото хилядолетие американският учен Ерик Дрекслър, вдъхновен от откритията в областта на нанотехнологиите, стана известен със своите по същество научнофантастични книги, в които мечтаеше скоро да бъдат построени „наноасемблери“, способни да сглобяват всичко директно от атоми. По-специално той пише за „нанороботи“, които ще могат да вършат работа, полезна за човешкото здраве - да почистват кръвоносните съдове, да унищожават раковите клетки, да се борят с бактериите.

Детският писател Борис Житков предрича нещо подобно в научно-фантастичния си разказ „Микроруки” още през 1931 г. Героят на историята направи устройство, което позволява операции с отделни клетки. От човешките ръце усилията бяха прехвърлени на микро-ръце, които можеха да извършват операции, за които Левичарят на Лесков не е и мечтал! Ето какво пише Житков: „ Бях поканен да правя най-деликатните операции, при които никой хирург не знае накъде да се обърне. С моите микро ръце можех бързо и точно да работя под най-силния микроскоп. Премахвах и най-малките зародиши на злокачествен тумор от жив организъм, ровех болното око като в огромна фабрика и нямах край на работата. Но това не ме спря по пътя ми. Исках да направя истински микро ръце, такива, които да използвам, за да хващам частиците материя, от които е изградена материята, онези невъобразимо малки частици, които се виждат само през ултрамикроскоп. Исках да навляза в тази област, където човешкият ум губи всякаква представа за размер - изглежда, че няма размери, всичко е толкова невъобразимо малко».

Но провалът очакваше героя на историята: в процеса на лов за отделни клетки едно от съществата - „ресничеста змия“ - счупи устройството си! И едва не си счупи ръцете - защото усилията му като лоста на Архимед се прехвърлиха в микросвета, намалявайки милиони пъти, а силите на микросвета също се увеличиха и натиснаха ръцете му...

Известно е, че думата „технология“ идва от гръцки „ techne― „изкуство“, а нанотехнологиите потвърждават това: те се сливат с изкуството. Сега специалистите имат възможността да извайват молекулярна структура атом по атом, като скулптура. Откриват се фантастични възможности за свободно творчество. Дизайнерите стават художници демиурзи, създавайки неща от нулата! Но какво ще стане, ако тези неща излязат извън контрол и започнат да се размножават като вредни вируси? Ерик Дрекслър в книгата си „Машини за сътворение“ доста изплаши читателя с истории за предстоящата победа на „сивата тиня“. Той написа, че опасностите от нанотехнологиите не трябва да се подценяват. Сега сме заплашени от нов бич – изкуственият интелект. Ами ако този интелект започне да произвежда чудовища в „нанофабрики“? За алманаха „Искам да знам всичко“ художникът Евгений Подколзин изигра тази ситуация по хумористичен начин (фиг. 5).

Фигура 5. Наноробот конструира чудовище.

рисунка на Евгений Подколзин

Създаването на нови структури в „нанофабрики“ вече е под човешки контрол. Контролът е необходим, за да се намалят рисковете от неконтролирано спонтанно разпространение на наноструктури, които като в научно-фантастичен трилър могат да влязат в битка със земния живот и да унищожат всичко живо на земята, превръщайки планетата в убежище от сива тиня. Имайте предвид, че предпоследната Нобелова награда за химия беше присъдена за работа в областта на нанотехнологиите - така че тази област е много гореща...

Парен локомотив в джоба ви

Фигура 6. Лев Блуменфелд

Във всяка жива клетка – дори и в такава малка като известната бактерия Ешерихия коли(той е с дължина около 5 микрона и диаметър 1–1,5 микрона), - работят милиони протеинови нанороботи. Те изпълняват всички задачи, необходими за живота на клетъчното състояние. Има различни видове нанороботи - пратеници, превозвачи, конструктори, ремонтници, чистачи.

Разбирането как работят нанороботите не дойде веднага. През шейсетте години на ХХ век биофизиците Дмитрий Чернавски, Юрий Хургин и Саймън Шнол разработиха концепцията за „протеин-машина“, която беше експериментално потвърдена от основателя на катедрата по биофизика на Физическия факултет на Московския държавен университет (фиг. 6). В своите трудове той пише за неравновесните състояния на протеините и за релаксацията на протеиновата машина по време на трансформацията на материята в клетката.

Сега това вече е общоприето: биофизиците директно заявяват, че протеинът е машина, открити са и молекулярни двигатели ( см., например статията „ Протеинови двигатели: в услуга на хората и нанотехнологиите"). Разбира се, не проста машина, а специална, биологична. Какво изобщо е "машина"? В ежедневието това е името, дадено на кола, пералня или машина във фабрика, а през деветнадесети век това означава парна машина. Но ако мислим научно, тогава машината е система, изградена по план от различни, различни части и предназначена да изпълнява определени функции (това определение беше дадено по едно време от академик Иван Артоболевски).

Ензимите и другите нанороботи отговарят точно на това определение: те са изградени по план, заложен в ДНК, и изпълняват строго определени функции. Частите на протеините - мономерните молекули - не са подобни една на друга, те имат различна форма и химичен състав. Когато различни мономери се комбинират, се образува голяма органична молекула - полимер. Такива протеинови полимери стават молекулярни машини, нанороботи. Всеки ензимен наноробот има „структурна част” (аналогично на машинно легло) и „активен център” – работен инструмент. Почти като във всеки завод! Но размерът на такива машини няма аналози в неживата природа.

И ако размерът на машината е необичаен, тогава работата на тези устройства е различна от действията, с които сме свикнали. В крайна сметка в наносвета почти всичко е различно от нашия човешки макросвят. Не напразно се сетихме за парната машина. Принципите на работа на парната машина са в основата на термодинамиката - науката за преноса и трансформацията на енергия. Това се случи не защото парната машина беше толкова идеална - просто когато термодинамиката се оформи, нямаше други машини. И устройството му особено ясно демонстрира процесите на преобразуване на енергия.

Без пренос и трансформация на енергия, разбира се, не могат да съществуват организми или отделни клетки. Целият им живот, както писахме по-горе, е постоянен процес на обмен на енергия с околната среда, обмен, при който се извършва определена работа. Само парната машина изпълнява работата си изключително грубо в сравнение с действията на нанороботите. Парната машина работи с огромна маса от молекули (пара или газ). При нагряване тези молекули в цялата си маса се стремят да се освободят (т.е. да постигнат равновесие с външната, студена среда), оказват натиск върху буталото, блокиращо пътя им към свободата и извършват работа.

При наномашините е точно обратното. Протеинът наноробот не е в състояние да движи големи обеми материя, но вижда всяка молекула поотделно и е в състояние да управлява енергията, съдържаща се в нея. Представете си, че такива устройства се използват в парен двигател: наноробот „работи“ с всяка молекула пара, улавя я и я влачи на правилното й място, след което я пуска.

Тогава тежките бутални и хидравлични задвижвания ще станат излишни и цялата машина с капацитет от хиляда конски сили може да стане мъничка, с размерите на флашка или чип. Вярно е, че това ще изисква същия брой нанороботи, колкото молекули пара или газ има в даден обем, и дори са необходими специални устройства, „обучени“ да работят специално в тази професия. Но все пак трябва да търсим такива неща в природата. Но перспективите са примамливи.

Въпреки това, колкото и вълшебно да изглежда парен локомотив, който се побира в джоба ви, работата на истинска жива клетка е още по-фантастична. В крайна сметка, парната машина (както всяка друга електроцентрала) използва само желанието на всяко вещество за равновесие с външната среда, а границата на равновесието е така наречената „топлинна смърт на Вселената“ - състояние, когато всички обекти на света, от молекулите до галактиките, стават същототопло или по-скоро също толкова студено и всяко движение ще спре.

Работата на нанороботите има съвсем различен вектор. Те, за разлика от парната машина, не просто използват ентропията, но й се съпротивляват доколкото могат. Лев Блуменфелд пише, че „молекулярната машина“ контролира състоянията на отделните молекули. Когато се занимават с молекула на дадено вещество, нанороботите не й позволяват да се движи хаотично - те пренасят молекулите там, където клетката се нуждае от това за нейното хранене и растеж, и регулират химията и физиката на процесите.

В крайна сметка енергията на парата в котел (или енергията на изгаряне на гориво в автомобилен двигател) е сумата от енергиите на движение на отделни молекули на пара или друга „работна течност“. Но когато парната машина „сумира“ тези енергии на отделни молекули, тогава по време на „генерализация“ възникват неизбежни загуби. Някои молекули изтичат през пукнатините в устройството, някои летят в ъгъла без никаква полза и т.н. Това, което се случва, е приблизително същото като при лошо счетоводство в голяма икономика: част от стоките и материалите се развалят в склада, без да участват в производството, друга част се изпраща за други цели, третата се открадва от гризачи... При работа с милиони и милиарди обекти, „свиването и „утаяването“ е неизбежно. Но те ще станат невъзможни, ако всеки артикул се взема предвид поотделно, ако всичко се записва и всеки артикул има свой складодържател.

Разбира се, това не е възможно в нашия свят. За нас е по-изгодно да загубим част от продуктите си, отколкото да плащаме труда на милиони счетоводители и контрольори. Но наносветът има свои собствени представи за това кое е печелившо и кое нерентабилно. Следователно ефективността на машината за катерица не е 8 процента, като парен локомотив, а почти 10 пъти повече!

Протеиновите молекулярни машини се различават от класическата машина по още една особеност. В конвенционална електроцентрала самата машина (нейният механизъм, тяло) и „работната течност“ (вода или бензинова пара) са различни обекти. Нанороботът по правило е едновременно механизъм и работно тяло. Потоци от енергия не протичат покрай нанороботите под формата на пара или огън – те се движат в тях по време на химични реакции.

Микротубула - източникът на мисълта?

Най-често срещаният тип нанороботи са ензимите, познати още от 19 век. Има около пет хиляди разновидности само на ензими. Това са специални протеини - катализатори на биохимични процеси, които без тяхно участие биха протичали в пъти по-бавно.

Ензимите са протеинови машини с твърда програма. Всеки от тях е адаптиран за решаване на много специфичен проблем. Но всички те по един или друг начин са катализатори на химични реакции, т.е. помагат за превръщането на едни вещества в други. По-точно, ензимите просто трансформират една химична реакция, която би трябвало да се случи „естествено“ без особена полза за клетката и тялото, в друга – полезна. Както вече споменахме, те преместват реакцията от пътя на най-малкото съпротивление (който осигурява малко енергия) към пътя, който е труден, но енергийно ефективен.

Друг вид наноробот е ремонтникът. Въпреки че ДНК е стабилна молекула, тя все още може да бъде повредена. Причината за това е радиация, мутагенни вещества, свободни радикали. Специална роля играе "депуринизацията" - разцепването на азотните основи на ДНК молекулата, тоест всъщност нейното унищожаване. В просто (неживо) решение този процес се случва доста бързо и ако същото нещо се случи в клетка, ДНК няма да оцелее повече от седмица и клетката ще бъде обречена на смърт. Въпреки това, ДНК на всяка човешка клетка губи около пет хиляди пуринови бази на ден. Но в клетката работят специални устройства - репарационни комплекси(„репарация“ е латински за „възстановяване“). Те могат да бъдат сравнени с ремонтна бригада на железопътна линия, която постоянно обикаля релсите, открива повреди и ги коригира. Репарите са в състояние да поправят дори радиационно увреждане на ДНК. Сложността на работата на репаразите (както и на другите нанороботи) е възхитителна – компютър трудно може да симулира действията им. Разбирането на работата на тези устройства изисква познания по висша математика и квантова физика.

Процесът на клетъчно делене - било то митоза или мейоза - е един от най-фантастичните процеси във Вселената. Поддържа се от огромен екип от нанороботи. В допълнение към тези, свързани с дублирането на ДНК, центриолните нанороботи са включени в този екип. Центриолите са своеобразни полюси, около които се усуква "вретеното" на генетичния материал. Те се състоят от 27 цилиндрични елемента - "микротубули" - които се основават на тубулинови протеинови молекули.

В допълнение към работата по възпроизвеждането на клетките, микротубулите участват в създаването на цитоскелета: без тяхната подкрепа клетката би се превърнала в аморфна капка. Микротубулите също работят като тръбопроводи - те пренасят вещества от единия край на клетката до другия.

Изглежда, че ролята на центриолите във функционирането на клетката е чисто механична. Но именно тези органели американският биолог Гюнтер Албрехт-Бюлер (между другото, физик по образование) нарече „мозъка на клетката“. Друг биолог от САЩ, Стюарт Хамероф, предположи, че най-удивителното явление в цялата Вселена - съзнанието - е свързано с микротубулите, лежащи в основата на структурата на центриолите.

Тази идея на Хамероф идва поради факта, че основната му професия е анестезиолог. Един прекрасен ден той откри, че някои вещества, използвани при анестезия (наркоза), променят структурата на нанотубулите, съдържащи се в процесите на нервните клетки (аксони и дендрити).

Идеята на Хамероф беше нещо подобно: анестезията е начин за изключване на съзнанието. Загубеното съзнание съответства на променени микротубули. Това означава, че микротубулите в тяхната естествена, непроменена форма са носители на „включено“ съзнание.

По-късно обаче стана ясно, че не всички анестетици имат толкова забележим ефект върху микротубулите. Но въпреки това ученият продължи да развива своята теория и в крайна сметка публикува книга, в която твърди, че микротубулите са устройства за изчисляване и интегриране на информация в мозъка. Ако хипотезата на Хамероф е вярна, се оказва, че сред нанороботите има не само „химици“ и „ремонтници“, но и нанокомпютри. Има и друга хипотеза, основана на факта, че водородната връзка е идеална клетка за кубит(квантов бит - единица за квантово изчисление) - в него протонът може да бъде в един или друг енергиен „кладенец“, като прави „квантови скокове“ между тях. От тези позиции самото ни съзнание се определя от съвкупността от нанокомпютърни операции.

Въпреки че други учени не са съгласни с такъв механистичен подход не само към човешкото съзнание, но и към работата на живата клетка. Оборването или доказването на тази хипотеза е въпрос на науката в бъдещето, може би не толкова далечно.

Ресничестата чехълка, душата на клетката и компютърните алгоритми

Съвместната, прецизно координирана работа на милиони нанороботи създава онзи уникален феномен, който наричаме „живот“. Възможно ли е изкуствено да се възпроизведе такава система? Художникът Евгений Подколзин комично изобразява действията на нанороботи в клетка (фиг. 7).

Фигура 7. Работа на нанороботи в клетка.
За да видите снимката в цял размер, щракнете върху нея.

рисунка на Евгений Подколзин

Създаването на живо същество в епруветка е стара мечта на алхимиците. В литературата образът на такъв мечтател е създаден от Гьоте във „Фауст“. През 19-ти век има опити, наивни от съвременна гледна точка, да се създаде „изкуствена клетка“. В днешно време, с обявяването на създаването на изкуствена жива клетка (на която дори е дадено име: Синтия, Синтияна латински) изговори Крейг Вентър – директор и компания Human Longevity, Inc.. Той успешно участва в програмата за човешкия геном, поставя и решава проблема за създаването на изкуствена ДНК. През 2010 г. той въвежда създадения от него изкуствен геном в едноклетъчен организъм Mycoplasma micoides- и този геном, както може да се очаква, е работил, произвеждайки необходимите протеини.

Но твърдението, че е успял да създаде жива клетка, е явно преувеличение. Тази работа може да се сравни със създаването на програма за компютър - но не и със създаването на самия компютър. ДНК е просто програма и ако милиони нанороботи, получени от клетката „наследени“, не работят в микоплазмата, програмата ще остане просто текст, който никой няма да прочете.

Но въпреки успехите и неуспехите на Вентър, изучаването на живите клетъчни нанороботи и как те работят всъщност отваря изцяло нови възможности за нанотехнологиите. През 60-те години на ХХ век възниква бионика- „науката за използване на биологични прототипи за намиране на нови технически решения.“ През 21 век науката вече търси идеи за създаване на нови нанотехнологични устройства в живи клетки. Ето какво прави новата наука на 21 век - нанобионика.

Създаването на истински нанороботи и използването на техните биологични прототипи ще помогне за решаването на проблеми в най-неочаквани области - от медицина до екология и това, което преди се наричаше кибернетика, а сега информационни технологии. Вече се появиха устройства за съхранение на информация, базирани на лекарството Biochrome, използващи способността на фоточувствителен протеин бактериородопсинпроменят своята конформация (пространствено разположение на атомите) при поглъщане на светлинен квант. Изобретена е революционна техника, която позволява да се открие дори една (!) РНК молекула във въздушна или течна проба, която може да бъде свързана с инфекция.

Изследванията в областта на нанобиониката ще ни позволят да вдъхнем нов живот на най-интересното научно направление - цитоетология, наука за клетъчното поведение, която се основава на координираното взаимодействие на клетъчни нанороботи. За необходимостта от развитие на изследванията в областта на цитоетологията пише биологът Владимир Александров (фиг. 8), който публикува през 1970 г. статия, която все още не е загубила своето значение „ Проблемът за поведението на клетъчно ниво - цитоетология". В него той се осмели да заяви в ерата на „диалектическия материализъм“: „ Клетъчните органели и самите клетки имат своя малка, но душа».

Наистина, поведението на нанороботите и живите клетки ни кара да се замислим за фундаменталната им разлика от стандартните технически системи. Изглежда невероятно, но може би именно на това ниво възниква свойството на живите системи, което на нивото на организма (особено ясно при хората) се нарича „свободна воля“. Това е много дълбок проблем в пресечната точка на биофизиката, квантовата механика, философията и теологията. Ако сравним жива клетка с компютър, струва си да се замислим дали този компютър е квантов?

Първият известен учен, който предложи модел на квантов компютър, беше Ричард Файнман - същият физик, който в свободното си време от основната си работа гледаше ресничестия чехъл през микроскоп, а идеята за квантовите изчисления беше изразена от руският физик Юрий Манин година преди Файнман.

Все още не е създаден пълноценен квантов компютър, въпреки че първите работещи модели вече са налични и са написани програми за такива компютри. Основната разлика между квантов компютър и обикновен ще бъде, че той работи на принципите на квантовата механика, а не на класическата механика. Както е известно, квантовата механика допуска състояния на материята, които, ако бъдат пренесени в нашия свят, биха изглеждали чудотворни (например, едновременното присъствие на една частица на две различни места). Такива квантови ефекти ще формират основата на софтуерните алгоритми за нови компютри. И това ще ни позволи да решаваме проблеми, за които днешните „изчислителни машини“ никога не са мечтали. За първи път квантовият „мозък“ ще може да отговаря на сложността на процесите, протичащи в живата природа - например в една и съща жива клетка.

Сегашните машини могат да работят само с модели, тоест с опростени изображения на реалността. За квантовия компютър биологичната (и например астрономическата) реалност ще бъде „в зъбите“ за първи път.

Интересното е, че именно сложността на биологичните процеси доведе Фейнман (и неговите сътрудници) до идеята за квантов компютър. Напълно възможно е идеята за създаване на такава машина да е възникнала от наблюденията му върху същата парамеция.

Изглежда, че се е получил порочен кръг: физиците смятат живите клетки за квантови компютри, чиято работа може да бъде разбрана само с помощта на квантови изчисления. Изходът от този кръг е възможен след създаването на истински мощен компютър, базиран на квантови процеси.

Днес такива устройства изискват дълбоко охлаждане и могат да обработват в най-добрия случай няколкостотин кубита. Освен това инженерите все още не са измислили как да защитят квантовия мозък от електромагнитни и други влияния, към които новият компютър ще бъде много по-чувствителен от „персоналните компютри“, с които сме свикнали. Очевидно живата клетка пази тайната на квантовата обработка на информацията с много по-голям обем изчисления, като същевременно притежава добра защита от външни влияния.

Откриването и изучаването на тези процеси е задача на новите поколения цитолози и биофизици. Желаем им успех!

Разширена версия на статията се подготвя за публикуване в антологията „Искам да знам всичко“ (Издателство за детска книга „Дом“, Санкт Петербург). авториизказва благодарност на редактора на алманаха Сергей Ивановза ползотворни дискусии, на художника Евгений Подколзинза любезно предоставените снимки и на издателството Алла Насонова- за разрешение за използване на материали от алманаха в тази статия.

Литература

Файнман Р.Ф. „Разбира се, че се шегувате, г-н Файнман!“ М .: “Редовна и хаотична динамика”, 2001. - 87 с.;
Бауер Е.С. Теоретична биология. М.-Л.: Издателство ВИЕМ, 1935. - 150 с.;
Комикс за голямата битка между радикалите и антиоксидантите;. Протеинови двигатели: в услуга на човека и нанотехнологиите;
Цялата теория я няма. (2012). "Лента.Ру";
Режабек Б.Г. (1998). Развитие и актуално състояние на идеите за биологични усилватели. Конференция в памет на П.Г. Кузнецова;
Със светлината на генома: колко е минималният размер на един бактериален геном? ;
Коган А.Б., Наумов Н.П., Режабек В.Г., Чораян О.Г. Биологична кибернетика. М .: “Висше училище”, 1972. - 382 с.;
Александров В.Я. Поведение на клетките и вътреклетъчните структури. М .: “Знание”, 1975. - 64 с.

През 1986 г. известният американски инженер Ерик Дрекслър в книгата си „Машината за създаване“ даде пример за роботи, способни да изграждат обекти на молекулярно ниво - атом по атом. Те също трябва да проникнат в човешкото тяло и да го лекуват отвътре, като действат директно върху болните части на тялото. Всичко това звучи утопично, но днес много учени са уверени, че появата на такива машини - нанороботи - е само въпрос на време.

Какво представляват нанороботите?

Все още няма ясен отговор на този въпрос - няма единно и универсално тълкуване на термина "наноробот". Като цяло, когато хората говорят за такива устройства, те обикновено имат предвид малки роботи с размерите на молекула, които могат да манипулират атоми и други наномащабни обекти. С други думи, те са в състояние да повлияят на самата основа на целия ни свят, защото вече е доказано, че всичко наоколо, включително и ние самите, се състои от атоми. Това отваря големи възможности за нанороботите и хората, които ги контролират.

Не всички учени вярват, че е възможно да се създадат нанороботи и е трудно да ги обвиним в скептицизъм - всичко описано по-горе наистина звучи твърде фантастично. Но ние трябва да разберем, че всеки от нас е жив днес благодарение на безброй операции на нанобот в трилиони от нашите клетки. Хората им дават определени имена, като "рибозоми", "кръвни клетки" и т.н., но в основата си те са програмирани машини с функция. Ако успеем да разберем точно каква „програма“ използват и можем да я пресъздадем, бъдещето с нанороботите няма да закъснее.

Сега се използват няколко метода за създаване на нанороботи. Според първия за тези цели ще е необходима специална нанофабрика. Това е набор от устройства, предназначени да комбинират атоми и да създават различни връзки от тях. Вторият метод включва създаването на наноробот на базата на ДНК.

Възможен потенциал на нанороботите

Учените смятат, че той е практически неограничен. С достатъчно развитие на технологиите тези микроскопични устройства могат буквално да преобразят нашия свят. Освен всичко друго, те ще позволят:

Лекувайте всички болести, дори такива опасни като рака. Лекарите ще могат да въвеждат роботи в тялото на пациента и с тяхна помощ бързо да проследяват засегнатите клетки, а след това директно да ги лекуват отвътре! Това от своя страна значително ще удължи човешкия живот и може би дори ще придобие безсмъртие.

Промяна на тялото, подобряване на неговите функции и възможности. Наноботите в този случай се използват като импланти. Поставени в тялото, те ще следят състоянието му, бързо записват симптоми на заболявания, подобряват физическите характеристики на носещия ги и др.

Свържете мозъка си с интернет. Директно! Изобретателят Реймънд Курзуел вярва, че това ще стане възможно още през 2030 г.

Пречиства водите на световните океани и въздуха, изсмуквайки замърсяването на молекулярно ниво.

Това е само малка част от възможностите на нанороботите. С подходящо въображение и изобретателност можете да направите невероятно много с тяхна помощ.

Съвременни нанороботи

Вече са създадени редица удивителни разработки в тази посока! Ето само няколко от тях:

Nanofin от ETH Zurich и Technion. Устройството е полипропилов проводник. Той е способен да се движи в биологичната течност на тялото със скорост от 15 микрометра в секунда. Такъв „нанофин“ може да се използва за целенасочено доставяне на лекарства до засегнатия орган.

3D движещи се наномашини, направени от ДНК. Този необичаен дизайн е разработен от учени от университета в Охайо. Тези ботове са изградени директно от ДНК клетки и могат да извършват определени манипулации.

Друг вид нанороботи, предназначени да доставят лекарства до определени райони, са създали учени от университета Дрексел. Дизайнът представлява верига от 13 бота, способни да се движат през биологична течност със скорост от 17,85 микрометра в секунда.

Тези наноботи, разбира се, все още не са способни да лекуват всички болести или да свържат човешкия мозък с интернет. И в близко бъдеще няма да могат. Но е очевидно, че всичко върви към това и появата на наноботите в ежедневието не е толкова нереалистична, колкото може да изглежда на пръв поглед.

Наноботите са роботи, чийто размер е сравним с размера на молекула. Те имат функциите на движение, обработка и предаване на информация, изпълнение на програми и в някои случаи способността да се самовъзпроизвеждат.

За първи път американският учен Ким Ерик Дрекслър, наричан „бащата на нанотехнологиите“, говори открито за създаването на нанороботи. Ученият обсъди идеята за създаване на нанороботи в книгата си „Машини на сътворението“. Тук той представи хипотетичен сценарий за съживяване на криоконсервирани хора. Това е първият теоретик на създаването на молекулярни нанороботи и концепцията за "сивата слуз". Дрекслър участва в изследванията на НАСА за космически селища през 1975 и 1976 г. Той разработи високоефективни слънчеви клетки, базирани на нанотехнологии, и също така участва активно в космическата политика.

През 2010 г. за първи път бяха демонстрирани базирани на ДНК нанороботи, способни да се движат в космоса. И преди това време в тази индустрия постоянно се провеждаха тайни изследвания.

Защо са създадени нанороботите? Според официални данни те могат да окажат неоценима помощ в медицината. Предвижда се тези микроскопични роботи да бъдат инжектирани в пациента и да изпълняват ролята на безжична комуникация и редица други задачи в наноразмер.

Твърди се, че досега нанороботи не са тествани върху хора, но през последните 10-20 години се появиха факти, че нанороботите вече са в телата на много хора по света, те излизат направо от човешката кожа, унищожават вътрешността на човека клетки, нарушават функционирането на всички системи на тялото.

Няколко изследователи-доброволци в тази област са сравнили снимки на някои нанороботи, представени в научни публикации, и многократно увеличени снимки на нанороботи, извлечени от човешки тела. Снимките са представени по-долу.

Общият фон е снимка на наноробот, извлечен от тялото на американец, който в продължение на 13 години наблюдава как тялото му постепенно се унищожава от неразбираеми, очевидно чудодейни същества. Вдясно има снимка на наноробот от научното списание "Advanced Materials".

Въпрос: откъде са се появили в човешкото тяло нанороботи, идентични с представените в научното списание?

И най-лошото е, че такива пациенти стават все повече по света. Никой не дава обяснение за това. Не се провеждат изследвания. Учени и лекари, които се опитват да направят изследване, умират при мистериозни обстоятелства. Единственото нещо, което някои лекари успяха да разберат, когато анализираха тези нанороботи, открити в човешки тела, е, че те се състоят главно от силикон и привличат много други патогенни микроорганизми.

Има ли нужда човечеството все още от нанороботи? Само посветените знаят за какво всъщност са създадени.

Искате ли да се насладите на всички функции на вашия смартфон на вашия телевизор? За да направите това, просто трябва да закупите приставка за Android TV. Голям избор от конзоли е представен на уебсайта https://androidmag.org/. Цените ще ви зарадват.

Ниво на развитие на технологиите

В момента (2009 г.) нанороботите са в изследователски етап на създаване. Някои учени твърдят, че някои компоненти на нанороботи вече са създадени. Редица международни научни конференции са посветени на разработването на компоненти на наноустройства и самите нанороботи.

Вече са създадени някои примитивни прототипи на молекулярни машини. Например сензор с превключвател от около 1,5 nm, способен да брои отделни молекули в химически проби. Университетът Райс наскоро демонстрира наноустройства за използване при регулиране на химическите процеси в съвременните автомобили.

Един от най-сложните прототипи на нанороботи е "кутията на ДНК", създадена в края на 2008 г. от международен екип, ръководен от Йорген Кемс. Устройството има подвижна част, която се управлява чрез добавяне на специфични ДНК фрагменти към средата. Според Kjems, устройството може да работи като "ДНК компютър", тъй като е възможно да се реализират логически порти на негова основа. Важна характеристика на устройството е методът му на сглобяване, така нареченото ДНК оригами, благодарение на което устройството се сглобява автоматично.

Теория на нанороботите

Тъй като нанороботите са с микроскопични размери, вероятно много от тях ще са необходими, за да работят заедно за решаване на микроскопични и макроскопични проблеми. Обмисляме рояци нанороботи, които не са способни на репликация (така наречената „сервизна мъгла“) и които са способни на независима репликация в околната среда („сива слуз“ и други опции). Нанороботите са широко описани в научната фантастика; във филма Терминатор 2: Денят на страшния съд роботът T-1000 ясно демонстрира потенциалната употреба на нанороботи във военните технологии. В допълнение към думата „наноробот“ се използват и изразите „нанит“, „наноген“ и „наномант“, но технически правилният термин в контекста на сериозни инженерни изследвания все още остава оригиналната версия.

Някои привърженици на наноботите, в отговор на сценария "сива слуз", твърдят, че наноботите са способни да се възпроизвеждат само в ограничен брой и в рамките на конкретно пространство на нанофабрика. В допълнение, процесът на самовъзпроизвеждане, който би направил тази нанотехнология безопасна, все още не е разработен. Освен това свободното самовъзпроизвеждане на роботи е хипотетичен процес и дори не се разглежда в настоящите изследователски планове.

молекулярен двигател

Въпреки това има планове за създаване на медицински нанороботи, които ще бъдат инжектирани в пациента и ще действат като безжична комуникация в наномащаб. Такива нанороботи не могат да бъдат произведени чрез самокопиране, тъй като това вероятно би довело до грешки при копиране, които биха могли да намалят надеждността на наноустройството и да променят изпълнението на медицинските задачи. Вместо това се планира нанороботите да се произвеждат в специализирани медицински нанофабрики.

молекулярно витло

Във връзка с развитието на посоката на научните изследвания на нанороботите, най-належащите въпроси сега са техният специфичен дизайн, като сензори, силови връзки между молекулите, навигация, инструменти за манипулиране, задвижващи апарати, молекулярни двигатели и бордови компютър предназначени за решаване на медицински проблеми. Въпреки че повечето от тези проблеми все още не са решени и липсват подробни инженерни предложения, Сътрудничеството за развитие на нанофабрики, основано от Робърт Фрейтас и Ралф Меркъл през 2000 г., е фокусирано върху разработването на практическа изследователска програма, която има за цел да създаде контролирана диамантена механосинтетична нанофабрика, който ще бъде в състояние да произвежда медицински нанороботи на базата на диамантени съединения.

Потенциални приложения

Първото полезно приложение на наномашини, ако се появят, е планирано в медицинската технология, където те биха могли да се използват за идентифициране и унищожаване на ракови клетки. Те могат също така да откриват токсични химикали в околната среда и да измерват нивата на тяхната концентрация.

Нанороботите в популярната култура

Идеята за нанороботи се използва широко в съвременната научна фантастика.

Едноименната композиция (Nanobots) на група Re-zone е посветена на нанороботите
Сюжетът на игрите Deus Ex и Deus Ex: Invisible War се основава на широкото разпространение на нанороботи в бъдещето

Вижте също

Връзки

Нанороботите – бъдещ триумф или трагедия за човечеството?

Бележки

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Синоними:

Вижте какво е „Нанобот“ в други речници:

Съществително име, брой синоними: 1 наноробот (2) ASIS Речник на синонимите. В.Н. Тришин. 2013… Речник на синонимите

нанобот- Нанотехнологичен робот наномашина (нанит), чиито размери се измерват в нанометри Биотехнологични теми EN нанобот ... Ръководство за технически преводач

нанобот- Nanobot Nanobot (наноробот) Софтуерно контролирано устройство с нано размери, създадено с помощта на молекулярна технология и притежаващо достатъчна автономност. Тези хипотетични устройства с размери от няколко до десетки нанометра биха могли... ... Обяснителен англо-руски речник по нанотехнологии. - М.