На протяжении долгого времени в научной фантастике говорилось о том, что в будущем для решения разных проблем будут использоваться крошечные роботы наниты. Наниты будут способны бороться с вирусными инфекциями, служить курьерами, доставляющими лекарства, помогать врачам проводить соответствующие операции и т. д. Некоторое время назад было объявлено о том, что прототип подобных нанитов уже был представлен шведскими учеными, но этот прототип был несовершенным, им невозможно было управлять.
Наноро́боты, или нанобо́ты - роботы, размером сопоставимые с молекулой (менее 100 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ.
Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер.
Другие определения описывают наноробота как машину, способную точно взаимодействовать с наноразмерными объектами или способной манипулировать объектами в наномасштабе. Вследствие этого, даже крупные аппараты, такие как атомно-силовой микроскоп можно считать нанороботами, так как он производит манипуляции объектами на наноуровне. Кроме того, даже обычных роботов, которые могут перемещаться с наноразмерной точностью, можно считать нанороботами.
Кроме слова «наноробот» также используют выражения «нанит» и «наноген», однако, технически правильным термином в контексте серьёзных инженерных исследований все равно остается первый вариант.
Более интересную и работающую версию нанитов создали ученые из Калифорнийского университета. Результатом их исследований стали микроскопические роботы, способные доставлять лекарства внутри организма, не вызывая при этом болевых ощущений или побочных эффектов.
Созданные роботы перенесли на себе частицы лекарственных препаратов, используя в качестве топлива пузырьки газа. Газ, кстати, является продуктом жизнедеятельности живого существа, он образуется внутри желудка. В качестве первого испытателя выступила лабораторная мышь, при этом она не испытывала какие-либо неудобства и осталась цела.
Ученые говорят о том, что такой результат говорит о большом прогрессе в отрасли, ведь созданные ими роботы смогли двигаться в организме со скоростью 60 микрометров в секунду. Для того чтобы доставить лекарство до пункта назначения (а в этом эксперименте им нужно было добраться до оболочки желудка), пришлось затратить некоторое время, при этом роботы оставались в желудке примерно двенадцать часов, это позволило им точечно впрыснуть лекарство и добиться предельной эффективности его действия.
После того, как наниты побывали в теле мыши, было произведено вскрытие, которое показало, что роботы абсолютно безопасно прошли весь путь и не нанесли повреждения тканям. При этом уровень токсического заражения остался в пределах нормы. Это говорит о том, что ученые добились своей цели и получили роботов, которые будут использоваться в будущем для повышения эффективности от лечения.
Сейчас ученые думают над тем, как увеличить скорость передвижения, а также об альтернативном топливе, так как использование газа может негативно сказаться на состоянии человека.
Статья на конкурс «био/мол/текст»: В статье рассказано о подходах к пониманию устройства клетки - от идей теоретической биологии и концепций «белок-машина» до современных подходов и открытий: нанороботов, микротрубочек и секвенирования генома. Совместная, точно согласованная работа миллионов нанороботов создает то уникальное явление, которое мы называем жизнью.
Генеральный спонсор конкурса - компания : крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро ».
«Книжный» спонсор конкурса - «Альпина нон-фикшн »
Цитология - наука о клетке
Рисунок 4. Обложка книги Эрвина Бауэра
Конечно, в каком-то смысле и звезда - тоже «процесс», как и клетка: звезда превращает водород в гелий и в конце концов, когда все топливо в ней сгорит, «умирает». Да и самая обыкновенная табуретка, если к ней внимательно приглядеться, не остается вечно такой, какой ее сделали: краска с нее слезает, дерево постепенно высыхает или гниет, крепления разбалтываются... Но живая клетка (и живой организм в целом) принципиально отличается от этих мертвых предметов.
Задумывались ли вы о том, почему камень равнодушно подчиняется действию внешней силы, а живое - сопротивляется? Почему палка плывет по течению, а рыба, идущая на нерест, проходит десятки километров против него? Почему, наконец, мы с вами можем сами определять свое поведение, преодолевая препятствия, которые нам ставит внешний мир?
Первый серьезный шаг для понимания этих вещей сделал советский биофизик Эрвин Бауэр , выдвинувший принцип устойчивого неравновесия:
«...живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях » (рис.4).
Иначе говоря, «живая система» в каком-то смысле нарушает законы физики и химии! Но нарушает она их не иначе, как с их же собственной помощью. Живой объект, используя химические вещества и физические взаимодействия, умеет преодолевать земное притяжение, бороться с течением воды и движением воздуха, делать вредные вещества полезными (например, страшный окислитель кислород, который с точки зрения химии ничем не лучше хлора, дает нам возможность дышать и благодаря этому приобретать энергию; вообще же история борьбы с окислителями-радикалами изложена доступно в статье «Сказка-комикс о великой битве между радикалами и антиоксидантами » ).
Но «равновесие» - это не только состояние, при котором, например, чаши весов уравновешиваются и перестают качаться. В равновесном положении оказывается газ, когда он перетекает из баллона в воздух комнаты и смешивается с атмосферой. В равновесном положении с окружающим воздухом находится печь, когда она полностью отдает свое тепло. Раздел физики - наука термодинамика - утверждает, что, когда система, состоящая из многих молекул, стремится к равновесию, в этой системе увеличивается беспорядок (хаос). Мера хаоса называется «энтропия ». В замкнутых системах энтропия может только расти. Но живые клетки - открытые, а не замкнутые системы. Поэтому они могут сопротивляться росту энтропии. Работая против равновесия, живые существа вносят в мир порядок и ежесекундно сражаются с одолевающим их со всех сторон хаосом. Лисы роют норку и спасаются в ней от зимней стужи, бобры строят плотины и повышают уровень воды, которая сама по себе норовит разлиться по плоскости как можно более тонким слоем.
Такое чудо ежесекундно творит любой живой организм. Но точно так же ведет себя каждая живая клетка. На примере ее поведения, которое проще, чем поведение больших организмов (хотя и клеточное поведение не такое простое, как кажется), можно попытаться понять, что такое жизнь и как именно она борется с «равновесием».
Цитология делает успехи
Нанороботы - фантастика и реальность
В конце прошлого тысячелетия американский ученый Эрик Дрекслер , воодушевленный открытиями в области нанотехнологий, прославился своими, по существу, научно-фантастическими книгами, в которых он мечтал о том, что скоро будут построены «наноассемблеры», способные прямо из атомов собирать все, что угодно. В частности, он писал о «нанороботах», которые смогут делать полезную для здоровья человека работу - чистить кровеносные сосуды, уничтожать раковые клетки, бороться с бактериями.
Нечто похожее в своем фантастическом рассказе «Микроруки» предсказал еще в 1931 году детский писатель Борис Житков . Герой рассказа сделал устройство, позволяющее производить операции с отдельными клетками. От рук человека усилия передавались на микроруки, которые могли делать операции, что не снились и лесковскому Левше! Вот что писал Житков: «Меня приглашали делать самые тонкие операции, где ни один хирург не знал бы, как повернуться. Я мог своими микроруками быстро и без промаху работать под сильнейшим микроскопом. Мельчайшие ростки злокачественной опухоли я удалял из живого организма, я рылся в больном глазу, как в огромном заводе, и у меня не было отбоя от работы. Но меня это не останавливало на моем пути. Я хотел сделать истинные микроруки, такие, которыми я мог бы хватать частицы вещества, из которых создана материя, те невообразимо мелкие частицы, которые видны только в ультрамикроскоп. Я хотел пробраться в ту область, где ум человеческий теряет всякое представление о размерах ― кажется, что уж нет никаких размеров, до того все невообразимо мелко ».
Но героя рассказа поджидала неудача: в процессе охоты за отдельными клетками одна из тварей - «змея-инфузория» - сломала его устройство! Да и руки чуть ему не поломала ― потому что его усилия, как по рычагу Архимеда, передавались в микромир, уменьшаясь в миллионы раз, а силы микромира так же увеличивались и давили на его руки...
Известно, что слово «техника» происходит от греческого «технэ » ― «искусство», и нанотехнологии это подтверждают: они смыкаются с искусством. Сейчас у специалистов появилась возможность лепить молекулярную структуру атом за атомом, как скульптуру. Открываются фантастические возможности свободного творчества. Конструкторы становятся художниками-демиургами, создающими вещи «с нуля»! Но вдруг эти вещи выйдут из-под контроля и начнут размножаться, как зловредные вирусы? Эрик Дрекслер в книге «Машины творения» изрядно испугал читателя рассказами о грядущей победе «серой слизи ». Он писал, что нельзя недооценивать опасности от нанотехнологий. Сейчас нас стращают новой напастью - искусственным интеллектом. А что, если этот интеллект станет изготавливать монстров на «нанофабриках»? Художник Евгений Подколзин для альманаха «Хочу все знать» эту ситуацию обыграл в юмористическом ключе (рис. 5).
Рисунок 5. Наноробот конструирует монстра.
рисунок Евгения Подколзина
Создание новых структур на «нанофабриках» идет сейчас под контролем человека. Контроль необходим для уменьшения рисков безудержного спонтанного размножения наноструктур, которые, как в фантастическом триллере, могут вступить в битву с земной жизнью и изничтожить все живущее на земле, превратить планету в пристанище серой слизи. Заметим, что предпоследняя Нобелевская премия по химии присуждена за работы в области нанотехнологий - так что область эта очень даже горячая ...
Паровоз в кармане
Рисунок 6. Лев Блюменфельд
В любой живой клетке - даже в такой маленькой, как знаменитая бактерия Escherichia coli (она имеет около 5 мкм в длину и 1–1,5 мкм в диаметре), - работают миллионы белковых нанороботов. Они выполняют все необходимые для жизни клеточного государства дела. Есть нанороботы разных типов - посыльные, переносчики, конструкторы, ремонтники, уборщики.
Понимание того, как работают нанороботы, пришло не сразу. В шестидесятых годах ХХ века биофизики Дмитрий Чернавский , Юрий Хургин и Симон Шноль разработали концепцию «белок-машина», экспериментальным подтверждением которой занимался , основатель кафедры биофизики физического факультета МГУ (рис. 6). В своих работах он писал о неравновесных состояниях белков и о релаксации белка-машины в процессе превращения вещества в клетке .
Сейчас это уже стало общим местом: биофизики прямо заявили, что белок - это машина, обнаружены и молекулярные моторы (см. , например, статью «Белковые моторы: на службе у человека и нанотехнологий » ). Конечно, не простая машина, а особая, биологическая. Что такое вообще «машина»? В быту так называют автомобиль, стиральный агрегат, станок на заводе, а в девятнадцатом веке под этим подразумевалась паровая машина. Но если рассуждать научно, то машина - это система, построенная по плану из разных, несхожих между собой частей и предназначенная для выполнения определенных функций (такое определение дал в свое время академик Иван Артоболевский).
Ферменты и другие нанороботы в точности отвечают этому определению: они построены по плану, заложенному в ДНК, и выполняют строго определенные функции. Части белков - молекулы-мономеры - не похожи друг на друга, они имеют различную форму и химический состав. При соединении разных мономеров получается большая органическая молекула - полимер. Такие белки-полимеры и становится молекулярными машинами, нанороботами. В каждом нанороботе-ферменте существует его «структурная часть» (аналог станины станка) и «активный центр» - рабочий инструмент. Почти как на любом заводе! Вот только размеры таких машин не имеют аналогов в неживой природе.
А если размеры машины необыкновенные, то и работа этих устройств непохожа на привычные нам действия. Ведь в наномире почти всё не так, как в нашем, человеческом макромире. Мы не зря вспомнили про паровую машину. Принципы работы паровой машины легли в основу термодинамики - науки о передаче и превращении энергии. Это случилось не потому, что паровая машина такая идеальная - просто тогда, когда складывалась термодинамика, других машин не было. А ее устройство особенно наглядно демонстрирует процессы превращения энергии.
Без передачи и превращения энергии, конечно, не могут существовать никакие организмы и отдельные клетки. Вся их жизнь, как мы уже писали выше, это постоянный процесс обмена энергией с окружающей средой, такой обмен, в котором производится определенная работа. Только паровая машина выполняет свою работу чрезвычайно грубо, если сравнивать ее с действиями нанороботов. Паровая машина имеет дело с огромной массой молекул (пара или газа). При нагревании эти молекулы всей массой стремятся вырваться на свободу (то есть достичь равновесия с внешней, холодной средой), давят на преграждающий им путь к свободе поршень и совершают работу.
В наномашинах все наоборот. Белок-наноробот не способен перемещать большие объемы материи - зато он видит каждую молекулу в отдельности и способен распоряжаться заключенной в ней энергией. Представьте, что такие устройства используются в паровой машине: с каждой молекулой пара «работает» наноробот, ловит ее и оттаскивает на положенное место, а потом отпускает.
Тогда станут лишними тяжелый поршень, гидравлические приводы, и вся машинка мощностью в тысячу лошадиных сил может стать крохотной, размером с флешку или чип. Правда, для этого понадобится столько же нанороботов, сколько в данном объеме молекул пара или газа, да еще и устройства нужны специальные, «наученные» работать именно по этой профессии. А таких в природе еще надо поискать. Но перспективы открываются заманчивые.
Однако, как ни волшебно выглядел бы паровоз, который помещается в кармане, работа реальной живой клетки выглядит еще фантастичнее. Ведь паровая машина (как и любая другая энергоустановка) всего лишь использует стремление любой субстанции к равновесию с внешней средой, а пределом равновесия является так называемая «тепловая смерть Вселенной» - такое состояние, когда все объекты мира, от молекул до галактик, станут одинаково теплыми или, вернее, одинаково холодными, и всякое движение прекратится.
Совсем другой вектор имеет работа нанороботов. Они, в отличие от паровой машины, не просто используют энтропию, а противоборствуют ей по мере сил. Лев Блюменфельд писал, что «молекулярная машина» управляет состояниями отдельных молекул. Имея дело с молекулой вещества, нанороботы не позволяют ей двигаться хаотически - они переносят молекулы туда, куда нужно клетке для ее питания и роста, регулируют химию и физику процессов .
В конечном счете, энергия пара в котле (или энергия горящего топлива в автомобильном двигателе) - это сумма энергий движения отдельных молекул пара или другого «рабочего тела». Но когда паровая машина «складывает» эти энергии отдельных молекул, то при «обобщении» возникают неизбежные потери. Какие-то молекулы просачиваются сквозь щели в устройстве, какие-то залетают в угол без всякой пользы и т.п. Происходит примерно то же самое, что при плохом учете в крупном хозяйстве: часть товаров и материалов портится на складе, не принимая участия в производстве, другая часть направляется не по назначению, третью растаскивают грызуны... При оперировании миллионами и миллиардами объектов «усушка и утряска» неизбежны. Но они станут невозможны, если учитывается каждый предмет отдельно, если всё поставлено на учет, и у каждой вещи есть свой собственный кладовщик.
Конечно, в нашем мире это неосуществимо. Нам выгоднее потерять часть продуктов, чем оплачивать труд миллионов счетоводов и контролеров. Но в наномире свои представления о том, что выгодно и что невыгодно. Поэтому и КПД у машины-белка не 8 процентов, как у паровоза, а чуть ли не в 10 раз больше!
От классической машины белковые молекулярные машины отличаются еще одной особенностью. В обычной энергетической установке сама машина (ее механизм, корпус) и «рабочее тело» (водяной или бензиновый пар) - это разные объекты. Наноробот представляет собой, как правило, одновременно и механизм, и рабочее тело. Потоки энергии не струятся мимо нанороботов в виде пара или огня - они движутся в них самих в ходе химических реакций.
Микротрубочка - источник мысли?
Самый распространенный тип нанороботов - известные с XIX века ферменты. Только ферментов насчитывается около пяти тысяч разновидностей. Это особые белки - катализаторы биохимических процессов, которые без их участия шли бы во много раз медленнее.
Ферменты - белковые машины с жесткой программой. Каждый из них приспособлен для решения совершенно конкретной задачи. Но все они так или иначе являются катализаторами химических реакций, то есть помогают превращению одних веществ в другие. Вернее, ферменты просто превращают одну химическую реакцию, которая должна была бы идти «естественным путем» без особой пользы для клетки и организма, в другую - полезную. Как уже говорилось, они переправляют реакцию с пути наименьшего сопротивления (который дает мало энергии) на путь трудный, но зато энергетически эффективный.
Другой тип нанороботов - ремонтники. Хотя ДНК - молекула устойчивая, все же она может повреждаться. Причиной этого являются радиация, мутагенные вещества, свободные радикалы. Особую роль играет «депуринизация» - выщепление азотистых оснований молекулы ДНК, то есть, по сути, ее разрушение. В простом (неживом) растворе этот процесс идет достаточно быстро, и если бы то же самое происходило в клетке, ДНК не прожила бы более недели, и клетка была бы обречена на гибель. Впрочем, и ДНК каждой клетки человека теряет за сутки около пяти тысяч пуриновых оснований. Но в клетке работают особые устройства - репарационные комплексы («репарация» по латыни означает «восстановление»). Их можно сравнить с ремонтной бригадой на железной дороге, которая все время ездит по рельсам, находит повреждения и исправляет их. Репаразы способны восстанавливать даже радиационные повреждения ДНК. Сложность работы репараз (как, впрочем, и других нанороботов) вызывает восхищение - компьютер с трудом может смоделировать их действия. Для постижения работы этих устройств требуется знание высшей математики и квантовой физики.
Процесс деления клетки - будь то митоз или мейоз - это один из самых фантастических процессов во Вселенной. Он обслуживается огромной командой нанороботов. Кроме тех, что связаны с удвоением ДНК, в эту команду включены нанороботы центриолей. Центриоли представляют собой своеобразные полюса, вокруг которых закручивается «веретено» генетического материала. Состоят они из 27 цилиндрических элементов - «микротрубочек», - в основе которых лежат молекулы белка тубулина .
Помимо работы по размножению клетки, микротрубочки участвуют в создании цитоскелета: без их поддержки клетка превратилась бы в аморфную каплю. Микротрубочки также работают трубопроводами - по ним передаются вещества из одного конца клетки в другой.
Казалось бы, роль центриолей в работе клетки чисто механическая. Однако именно эти органоиды американский биолог Гюнтер Альбрехт-Бюлер (кстати, физик по образованию) назвал «мозгом клетки». Другой биолог из США, Стюарт Хамерофф , высказал предположение, что именно с микротрубочками, лежащими в основе структуры центриолей, связано самое удивительное явление во всей Вселенной - сознание.
Такая идея возникла у Хамероффа благодаря тому, что по основной профессии он врач-анестезиолог. В один прекрасный день он обнаружил, что некоторые вещества, которые применяют в анестезии (наркозе), изменяют строение нанотрубочек, заключенных в отростках нервных клеток (аксонах и дендритах).
Мысль Хамероффа развивалась примерно так: анестезия является способом отключения сознания. Отключенному сознанию соответствуют измененные микротрубочки. Значит, микротрубочки в их естественном, неизмененном виде и являются носителями «включенного» сознания.
Правда, позже выяснилось, что далеко не все анестезирующие вещества так заметно влияют на микротрубочки. Но ученый, тем не менее, продолжал развивать свою теорию и в конце концов выпустил книгу, в которой утверждал, что микротрубочки являются аппаратами вычисления и интегрирования информации в мозге . Если гипотеза Хамероффа верна, выходит, что среди нанороботов есть не только «химики» и «ремонтники», но и нанокомпьютеры. Есть и другая гипотеза опирающаяся на тот факт, что водородная связь является идеальной ячейкой для кубита (квантового бита - единицы квантовых вычислений) - в ней протон может находиться либо в одной, либо в другой энергетической «яме», совершая между ними «квантовые скачки». С этих позиций само наше сознание определяется совокупностью операций нанокомпьютеров.
Хотя другие ученые не согласны с таким механистическим подходом не только к человеческому сознанию, но и к работе живой клетки. Опровержение или доказательство этой гипотезы - дело науки будущего, может быть, не столь уж отдаленного.
Инфузория-туфелька, душа клетки и компьютерные алгоритмы
Совместная, точно согласованная работа миллионов нанороботов создает то уникальное явление, которое мы называем «жизнью». Можно ли воспроизвести такую систему искусственно? Художник Евгений Подколзин в шуточной форме изобразил действия нанороботов в клетке (рис. 7).
Рисунок 7. Работа нанороботов в клетке.
Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него.
рисунок Евгения Подколзина
Создание живого существа в пробирке - давняя мечта алхимиков. В литературе образ такого мечтателя создал Гете в «Фаусте». В XIX веке были наивные с современной точки зрения попытки создать «искусственную клетку». В наши дни с заявлением о создании искусственной живой клетки (которой даже дали имя: Синтия , Cynthia по-латыни) выступил Крейг Вентер - руководитель и фирмы Human Longevity, Inc. . Он с успехом участвовал в программе «Геном человека», поставил и решил задачу создания искусственной ДНК. В 2010 году он ввел созданный им искусственный геном в одноклеточный организм Mycoplasma micoides - и этот геном, как и следовало ожидать, работал, производя нужные белки.
Но заявление о том, что ему удалось создать живую клетку - явное преувеличение. Эту работу можно сравнить с созданием программы для компьютера - но не с созданием самого компьютера. ДНК - это всего лишь программа, и, если бы в микоплазме не работали миллионы нанороботов, полученных клеткой «по наследству», программа осталась бы просто текстом, который некому было бы читать.
Но, несмотря на успехи и неудачи Вентера, изучение нанороботов живой клетки и принципов их работы на самом деле открывает совершенно новые возможности для нанотехнологий. В 60-е годы ХХ века возникла бионика - «наука об использовании биологических прототипов для поиска новых технических решений». В XXI веке наука уже ищет идеи для создания новых нанотехнологических устройств в живой клетке. Этим занимается новая наука XXI века - нанобионика .
Создание реальных нанороботов и использование их биологических прототипов поможет решить проблемы в самых неожиданных областях - от медицины до экологии и того, что раньше называли кибернетикой , а теперь информационными технологиями. Уже появились накопители информации на базе препарата «Биохром», использующие способность фоточувствительного белка бактериородопсина менять свою конформацию (пространственное расположение атомов) при поглощении кванта света. Изобретена революционная методика, позволяющая выявить в пробе воздуха или жидкости даже одну (!) молекулу РНК, которая может быть связана с инфекцией.
Исследования в области нанобионики позволят вдохнуть новую жизнь и в интереснейшее научное направление - цитоэтологию , науку о поведении клеток, в основе которого лежит координированное взаимодействие клеточных нанороботов. О необходимости развития исследований в области цитоэтологии писал биолог Владимир Александров (рис. 8), опубликовавший в 1970 году до сих пор не утратившую своего значения статью «Проблема поведения на клеточном уровне - цитоэтология » . В ней он осмелился в эпоху «диалектического материализма» заявить: «У клеточных органоидов и самих клеток есть своя маленькая, но душа ».
Действительно, поведение нанороботов и живых клеток заставляет задуматься о принципиальном отличии их от стандартных технических систем. Кажется невероятным, но, возможно, именно на этом уровне возникает то свойство живых систем, которое на уровне организма (в особенности ярко - у человека) называется «свободой воли». Это очень глубокая проблема на стыке биофизики, квантовой механики, философии и богословия. Если и сравнивать живую клетку с компьютером, стоит задуматься - а не является ли этот компьютер квантовым?
Первым известным ученым, который предложил модель квантового компьютера, был Ричард Фейнман - тот самый физик, который в свободное от основной работы время рассматривал в микроскоп инфузорию-туфельку, а идею квантовых вычислений за год до Фейнмана высказал российский физик Юрий Манин.
Полноценный квантовый компьютер до сих пор не создан, хотя уже имеются первые действующие модели и написаны программы для таких компьютеров. Главным отличием квантовой вычислительной машины от обыкновенной станет работа по принципам не классической, а квантовой механики. Как известно, квантовая механика допускает такие состояния вещества, которые, будучи перенесены в наш мир, показались бы чудесными (например, одновременное пребывание одной частицы в двух разных местах). Подобные квантовые эффекты лягут в основу программных алгоритмов для новых компьютеров. А это позволит решать такие задачи, какие и не снились сегодняшним «счетным машинам». Квантовый «мозг» сможет впервые соответствовать сложности процессов, происходящих в живой природе - например, в той же самой живой клетке.
Нынешние машины могут работать только с моделями, то есть с упрощенными образами реальности. Для квантового компьютера биологическая (и, например, астрономическая) реальность впервые будет по «зубам».
Интересно, что именно сложность биологических процессов и привела Фейнмана (и его единомышленников) к идее квантового компьютера. Вполне возможно, что идея создания такой машины возникла у него в результате наблюдений за той самой парамецией.
Похоже, получился замкнутый круг: физики считают живые клетки квантовыми компьютерами, разобраться в работе которых можно только с помощью квантовых вычислений. Выход из этого круга возможен после создания настоящего мощного компьютера на основе квантовых процессов.
Сегодня такие устройства требуют глубокого охлаждения и могут обрабатывать в лучшем случае несколько сотен кубитов. Кроме того, инженеры пока не придумали, как защитить квантовый мозг от электромагнитных и других воздействий, к которым новый вычислитель будет гораздо чувствительнее привычных нам «персоналок». Судя по всему, живая клетка хранит тайну квантовой обработки информации с гораздо большим объемом вычислений, обладая при этом неплохой защищенностью от внешних воздействий.
Открыть и изучить эти процессы - задача для новых поколений цитологов и биофизиков. Желаем им успехов!
Расширенный вариант статьи готовится к печати в альманахе «Хочу все знать» (издательство «Дом детской книги», СПб.). Авторы выражают благодарность редактору альманаха Сергею Иванову за плодотворные дискуссии, художнику Евгению Подколзину за любезно предоставленные картинки, а издателю Алле Насоновой - за разрешение использовать материал из альманаха в данной статье.
Литература
- Фейнман Р.Ф. «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» М.: «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. - 87 с.;
- Бауэр Э.С. Теоретическая биология . М.-Л.: издательство ВИЭМ, 1935. - 150 с.;
- Сказка-комикс о великой битве между радикалами и антиоксидантами;. Белковые моторы: на службе у человека и нанотехнологий ;
- Вся теория в трубу . (2012). «Лента.Ру» ;
- Режабек Б.Г. (1998). Развитие и современное состояние представлений о биологических усилителях. Конференция памяти П.Г. Кузнецова ;
- С геномом налегке: минимальный размер бактериального генома - это сколько? ;
- Коган А.Б., Наумов Н.П., Режабек В.Г., Чораян О.Г. Биологическая кибернетика . М.: «Высшая школа», 1972. - 382 с.;
- Александров В.Я. Поведение клеток и внутриклеточных структур . М.: «Знание», 1975. - 64 с..
Еще в 1986 году известный американский инженер Эрик Дрекслер в своей книге «Машина созидания» привел пример роботов, способных строить объекты на молекулярном уровне - атом за атомом. Они также должны проникать в тело человека и лечить его изнутри, воздействуя непосредственно на пораженные болезнью участки организма. Все это звучит утопично, но сегодня многие ученые уверены, что появление таких машин - нанороботов - это всего лишь вопрос времени.
Что такое нанороботы?
Четкого ответа на этот вопрос пока не существует - нет единого и универсального толкования термина «наноробот». В целом же, когда говорят о таких устройствах, обычно имеют в виду крошечных роботов размером с молекулу, способных манипулировать атомами и прочими нанообъектами. Иными словами, они способны воздействовать на саму основу всего нашего мира, ведь уже доказано, что все вокруг, включая нас самих, состоит из атомов. Это открывает широкие возможности нанороботам и людям, управляющими ими.
Далеко не все ученые верят в то, что нанороботов реально создать, и их сложно винить в скептицизме - все описанное выше действительно звучит слишком фантастично. Но нужно понимать, что каждый из нас жив сегодня благодаря бесчисленным операциям наноботов в триллионах наших клеток. Люди дают им определенные названия, например, «рибосомы», «кровяные тельца» и т.д., но по своей сути они — запрограммированные машины с функцией. Если мы сможем понять, какую именно «программу» они используют, и сможем ее воссоздать - будущее с нанороботами не заставит себя долго ждать.
Сейчас используется несколько способов создания нанороботов. Согласно первому, для этих целей потребуется специальная нанофабрика. Это комплекс устройств, предназначенный для комбинации атомов и создания из них различных связей. Второй метод подразумевает создание наноробота на основе ДНК.
Возможный потенциал нанороботов
Ученые считают, что он практически безграничен. При достаточном уровне развития технологии эти микроскопические устройства смогут в прямом смысле преобразить наш мир. Среди прочего они позволят:
Лечить все болезни, даже такие опасные, как рак. Врачи смогут внедрять роботов в организм пациента и с их помощью быстро отслеживать пораженные клетки, а затем напрямую лечить их изнутри! Это, в свою очередь, позволит существенно продлить срок человеческой жизни и, возможно, даже обрести бессмертие.
Изменять организм, улучшая его функции и возможности. Наноботы в данном случае используются как имплантаты. Помещенные внутрь организма, они будут отслеживать его состояние, быстро фиксировать симптомы заболеваний, улучшать физические данные носителя и т. д.
Подключить мозг к Интернету. Напрямую! Изобретатель Реймонд Курцвел считает, что это станет возможным уже в 2030 году.
Очищать воды Мирового океана и воздух, высасывая загрязнения на молекулярном уровне.
Это лишь малая часть возможностей нанороботов. При должной фантазии и изобретательности с их помощью можно сделать невероятно много.
Современные нанороботы
Уже создан целый ряд удивительных разработок в данном направлении! Приведем здесь только некоторых из них:
Наноплавники от ETH Zurich и Technion. Устройство представляет собой полипропиловую проволоку. Она способна двигаться в биологической жидкости организма со скоростью 15 микрометров в секунду. Такой «наноплавник» можно использовать для точечной доставки лекарств в пораженный орган.
3D-движущиеся наномашины из ДНК. Такую необычную конструкцию разработали ученые Университета Огайо. Эти боты сконструированы непосредственно из ДНК-клеток и могут выполнять определенные манипуляции.
Еще один вид нанороботов, предназначенный для доставки лекарств в заданные участки, создали ученые Дрексельского Университета. Конструкция представляет собой цепочку из 13 ботов, способных передвигаться по биологической жидкости со скоростью 17,85 микрометра в секунду.
Эти наноботы, конечно, еще не способны лечить все болезни и подключать человеческий мозг к Интернету. И в ближайшее время не смогут. Но очевидно, что все к тому идет, и появление наноботов в повседневной жизни - это не настолько нереально, как может показаться на первый взгляд.
Нанороботы - это роботы, размер которых сопоставим с размером молекулы. Они обладают функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ, а также в некоторых случаях возможностью самовоспроизведения.
Впервые открыто о создании нанороботов заговорил американский ученый Ким Эрик Дрекслер, которого называют "отцом нанотехнологий". Идею создания нанороботов ученый рассмотрел в своей книге "Машины создания". Здесь же он представил гипотетический сценарий оживления крионированных людей. Это первый теоретик создания молекулярных нанороботов и концепции "серой слизи". Дрекслер участвовал в исследованиях NASA на тему космических поселений в 1975 и 1976 годах. Он разрабатывал на основе нанотехнологий высокоэффективные солнечные батареи, а также активно участвовал в космической политике.
В 2010 году были впервые продемонстрированы нанороботы на основе ДНК, способные перемещаться в пространстве. А до этого время постоянно велись секретные исследования в этой отрасли.
Для чего же создаются нанороботы? По официальным данным, они могут оказать неоценимую помощь в медицине. Планируется, что эти микроскопические роботы будут впрыскиваться в пациента и выполнять роль беспроводной связи и ряд других задач на наноуровне.
Утверждается, что до сего момента нанороботы не были испытаны на людях, однако на протяжении последних 10-20 лет появляются факты о том, что нанороботы уже находятся в организме многих людей по всему миру, они выходят прямо из кожи человека, разрушают внутренние клетки человека, нарушают работу всех систем организма.
Несколько добровольных исследователей в этой области, сравнили фотографии некоторых нанороботов, представленных в научных изданиях, и многократно увеличенные фотографии с нанороботами, извлеченными из тел людей. Фотографии представлены ниже.
Общий фон - фото наноробота, извлеченного из тела американца, который уже 13 лет наблюдает за тем, как его тело постепенно разрушается непонятными явно нерукотворными созданиями. Справа - фото наноробота из научного журнала "Advanced Materials".
Вопрос: откуда взялись в теле человека нанороботы идентичные тем, что были представлены в научном журнале?
А самое страшное это то, что таких пациентов по всему миру становится все больше. Объяснения этому никто не дает. Исследования не ведутся. Ученые и медики, которые пытаются заняться исследованиями, погибают при таинственных обстоятельствах. Единственно, что удалось узнать некоторым медикам, при анализе этих нанороботов, найденных в телах людей, это то, что они состоят преимущественно из силикона и притягивают к себе множество других патогенных микроорганизмов.
Человечеству все еще нужны нанороботы? Для чего они созданы на самом деле - знают только посвященные.
Хотите наслаждаться всеми возможностями вашего смартфона на вашем телевизоре? Для этого вам достаточно купить андроид тв приставку . Большой выбор приставок представлен на сайте https://androidmag.org/ . Цены вас порадуют.
Другие определения описывают наноробота как машину, способную точно взаимодействовать с наноразмерными объектами или способной манипулировать объектами в наномасштабе. Вследствие этого, даже крупные аппараты, такие как атомно-силовой микроскоп можно считать нанороботами, так как он производит манипуляции объектами на наноуровне. Кроме того, даже обычных роботов, которые могут перемещаться с наноразмерной точностью, можно считать нанороботами.
Уровень развития технологии
На данный момент (2009), нанороботы находятся в научно-исследовательской стадии создания. Некоторыми учёными утверждается, что уже созданы некоторые компоненты нанороботов . Разработке компонентов наноустройств и непосредственно нанороботам посвящен ряд международных научных конференций .
Уже созданы некоторые примитивные прототипы молекулярных машин. Например, датчик, имеющий переключатель около 1,5 нм, способный вести подсчет отдельных молекул в химических образцах . Недавно университет Райса продемонстрировал наноустройства для использования их в регулировании химических процессов в современных автомобилях.
Одним из самых сложных прототипов наноробота является "DNA box", созданный в конце 2008 года международной группой под руководством Йоргена Кьемса . Устройство имеет подвижную часть, управляемую с помощью добавления в среду специфических фрагментов ДНК . По мнению Кьемса, устройство может работать как "ДНК-компьютер", т.к на его базе возможна реализация логических вентилей . Важной особенностью устройства является метод его сборки, так называемый DNA origami, благодаря которому устройство собирается в автоматическом режиме.
Теория нанороботов
Так как нанороботы имеют микроскопические размеры, то их, вероятно, потребуется очень много для совместной работы в решении микроскопических и макроскопических задач. Рассматривают стаи нанороботов, которые не способны к репликации (т. н. «сервисный туман») и которые способны к самостоятельной репликации в окружающей среде («серая слизь » и др. варианты). Нанороботы широко описаны в научной фантастике, так в фильме Терминатор 2: Судный день , робот T-1000 наглядно демонстрирует потенциальные возможности использования нанороботов в военной технике. Кроме слова «наноробот» также используют выражения «нанит» , «наноген» и «наномуравей», однако, технически правильным термином в контексте серьезных инженерных исследований все равно остается первоначальный вариант.
Некоторые сторонники нанороботов в ответ на сценарий «серой слизи » высказывают мнение о том, что нанороботы способны к репликации только в ограниченном количестве и в определенном пространстве нанозавода. Кроме того, еще только предстоит разработать процесс саморепликации, который сделает данную нанотехнологию безопасной. Кроме того, свободная саморепликация роботов является гипотетическим процессом и даже не рассматривается в текущих планах научных исследований.
молекулярный мотор
Однако, имеются планы по созданию медицинских нанороботов , которые будут впрыскиваться в пациента и выполнять роль беспроводной связи на наноуровне. Такие нанороботы не могут быть получены в ходе самостоятельного копирования, так как это вероятно приведет к появлению ошибок при копировании, которые могут снизить надежность наноустройства и изменить выполнение медицинских задач. Вместо этого, нанороботов планируется изготавливать в специализированных медицинских нанофабриках.
молекулярный пропеллер
В связи с развитием направления научных исследований нанороботов сейчас наиболее остро стоят вопросы их конкретного проектирования, такие как зондирование, силовые связи между молекулами, навигация, инструментарий для манипуляций, двигательный аппарат, молекулярные моторы и бортовой компьютер, предназначенный для решения медицинских задач. Хотя большая часть этих задач еще не решена и отсутствуют детальные инженерные предложения, создано «Сотрудничество по разработке нанофабрик» , основанное Робертом Фрейтасом и Ральфом Меркле в 2000 году, деятельность которого сосредоточена на разработке практической программы исследований , которая направлена на создание контролируемой алмазной механосинтетической нанофабрики, которая будет способна к производству медицинских нанороботов на основе алмазных соединений.
Потенциальная сфера применений
Первое полезное применение наномашин, если они появятся, планируется в медицинских технологиях, где они могут быть использованы для выявления и уничтожения раковых клеток. Также они могут обнаруживать токсичные химические вещества в окружающей среде и измерять уровень их концентрации.
Нанороботы в массовой культуре
Идея нанороботов широко используется в современной научной фантастике.
- Нанороботам посвящена одноименная (Nanobots) композиция группы Re-zone
- Сюжет игр Deus Ex и Deus Ex: Invisible War основан на широком распространении нанороботов в будущем
См. также
Ссылки
- Нанороботы - будущий триумф или трагедия для человечества?
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Нанобот" в других словарях:
Сущ., кол во синонимов: 1 наноробот (2) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
нанобот - Нанотехнологический робот наномашина (нанит), размеры которого измеряются в нанометрах Тематики биотехнологии EN nanobot … Справочник технического переводчика
нанобот - Nanobot Нанобот (наноробот) Программно управляемое наноразмерное устройство, созданное посредством молекулярной технологии и обладающее достаточной автономностью. Эти гипотетические устройства размером в единицы и десятки нанометров могут… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.
Loading...