Прерывая нанотехнологическое вознесение
Перевод статьи Ричарда Джонса (Richard A.L. Jones) “Rupturing The Nanotech Rapture” (2008), из обзора журнала “IEEE Spectrum” на тему технологической сингулярности. Статья содержит критику идей Эрика Дрекслера, особенно в отношении реализации медицинских наноботов.
Биологические наноботы могли бы ремонтировать и улучшать человеческое тело, но в них будет больше от биологии, чем от робота.
Как ввести человечество в эру трансгуманистического блаженства? Во-первых, избавиться от дефицита. Во-вторых, искоренить смерть. В третьих, устранить запутанные механизмы, которые вносят несовершенства в человеческое тело. С помощью чего добиться этих трёх целей? С помощью молекулярной нанотехнологии - по существу, сведения всех материальных вещей к статусу программного обеспечения.
Сведение замечательной сложности нашего мира к списку инструкций, простому рецепту потребовало бы управления самыми базовыми компонентами жизни. Начнём с земного запаса атомов. Эволюция, законы физики, и большая доза случайности выстроили из этих атомов объекты и жизненные формы вокруг нас. Если бы мы могли знать позицию и тип каждого атома объекта, а также помещать атомы в нужные позиции, тогда в принципе мы могли бы воспроизводить с абсолютной точностью любую материальную вещь из её составных частей. Любой материал или предмет, будь то скрипка Страдивари или стейк, легко было бы получить в изобилии. Мы могли бы строить искусственные части тела со способностями, намного превосходящими естественные. Были бы радикально трансформированы экономика, окружающая среда и даже значение слов “быть человеком”.
Этот взгляд на будущее широко распространён среди тех, кто ожидает технологическую сингулярность, когда создание сверхразумных, самовоспроизводящихся машин вызовет быстрое технологическое развитие и экономический рост, превращая людей в киборгов, которые будут сверхлюдьми и, быть может, даже бессмертными. Некоторые из этих футуристов убеждены, что это оживление случится всего через несколько десятилетий. Но в научных институтах и промышленности нанотехнологи работают над совсем другим набором технологий. Многие из этих проектов почти наверняка окажутся полезными, прибыльными или даже приведут к значительным преобразованиям, но ни один из них не ведёт к трансгуманистическому вознесению, которое предвидят сингуляритаристы. Не в ближайшем столетии, в любом случае.
Не то чтобы перспектива сингулярности вообще не проглядывала в современных работах. Просто пропасть между ней и современным положением немного похожа на дистанцию между путешествием на лошадях и кабриолетах и межпланетным транспортом. Датой рождения нанотехнологии обычно считают 1989 год, когда сотрудник IBM Don Eigler использовал сканирующий туннельный микроскоп для выстраивания логотипа компании из атомов ксенона. С тех пор возникла целая область, основанная главным образом на специально спроектированных молекулах, которые попали в такие потребительские товары, как немнущаяся одежда, более эффективные солнцезащитные кремы, и более крепкие спортивные ракетки.
Но очень долгий путь предстоит пройти от самой лучшей теннисной ракетки до умных нанороботов, способных целым роем проникнуть в наше тело, подобно мельчайшим ангелам-хранителям, распознать и починить повреждённые клетки или ДНК, и обнаруживать, преследовать и уничтожать вредоносные вирусы и бактерии. Однако трансгуманисты недооценивают величину такого скачка. Они смотрят на манипулирование атомами или молекулами с помощью сканирующего туннельного микроскопа, и видят рои манипуляторов, которые сами по себе измеряются в нанометрах. Под контролем компьютерных программ эти “нанофабрики” могли бы выстраивать атомы в любой паттерн, согласующийся с законами физики.
Трансгуманисты мечтают не о копировании существующих материалов, но об интегрировании в них почти неограниченной функциональности: самые современные сенсоры и обработчики информации могут быть встроены в саму материю нашего существования, вместе с моторами, обладающими поражающей удельной мощностью. Сингуляритаристы ожидают, что закон Мура будет продолжать действовать неопределённо долго, давая нам огромную вычислительную мощь в крошечных пакетах, что необходимо для управления этими нанофабриками. Эти очень маленькие роботы, или наноботы, не нужно ограничивать защитой нашего тела; если они могут исправлять и очищать, почему не расширять и улучшать? Нейронаноботы могли бы обеспечить прямой интерфейс между нашим мозгом и мощными компьютерами с огромными базами данных.
Быть может, мы могли бы полностью покинуть наши тела. Только необходимость сохранять содержание наших памяти и сознания, наши ментальные идентичности, привязывает нас к ним. Возможно, эти наноботы даже смогут проплыть через наши мозги, считывая и загружая наши мысли и воспоминания, то есть наши личности целиком, в мощный компьютер.
Это экспансивное видение молекулярной нанотехнологии обязано Эрику Дрекслеру не меньшим, чем всем остальным. Выпускник MIT и студент Марвина Минского, Дрекслер изложил своё видение в книге “Наносистемы” (1992). В течение последних 16 лет эти идеи подхватили и расширили другие футуристы.
В своей книге Дрекслер предвидит наноструктуры, построенные из самых прочных и жёстких доступных материалов, используя принципы рационального проектирования, взятые из машиностроения. Фундаментальные строительные блоки этой парадигмы - крошечные, жёсткие винтики и шестерёнки, похожие на пластиковые детали Лего. Шестерёнки могли бы передавать энергию от выполненных в наномасштабе электрических моторов, и они были бы достаточно малы, чтобы участвовать в присоединении одной молекулы к другой. Также они могли бы обрабатывать информацию. Дрекслер черпал вдохновение для своего видения мельчайших механических компьютеров из предыдущего поколения вычислительных устройств, которые использовали рычаги и шестерёнки вместо транзисторов,
Если предположить, что структура объекта легко может быть сведена к его молекулярному строению, первым делом нужно понять, как преобразовать макроскопические методы изготовления в манипуляции в наномасштабе. Например, пусть вы хотите новую поджелудочную железу. Ваша первая большая проблема возникает из того факта, что одна человеческая клетка состоит из порядка 10^14 атомов, и поджелудочная железа состоит из как минимум 80 миллиардов клеток (вероятно, их там больше). Мы могли бы использовать сканирующий туннельный микроскоп, чтобы позиционировать отдельные атомы с некоторой точностью, но создание макроскопического объекта таким путём заняло бы очень много времени.
Теоретическим решением изначально была идея, известная как экспоненциальное изготовление. В её простейшей форме, она говорит о гипотетическом “наносборщике” (наноассемблере) который мог бы создавать объекты своего масштаба. Для примера, он мог бы построить другой сборщик, и каждый сборщик после этого мог бы продолжать делать ещё сборщики, и в результате было бы построено множество сборщиков, которые совместными силами могли бы создать макроскопический объект.
Не рассматривая огромные проблемы с созданием и координированием этих наносборщиков, некоторые теоретики были озабочены сценарием конца света, известным как проблема “серой слизи”. Вышедшие из под контроля репликаторы могли бы ненасытно поглощать ресурсы, производя ещё больше репликаторов; это футуристическая версия старой истории об ученике чародея. Не беспокойтесь, говорят Дрекслер и его коллеги. В его самом последнем видении нанофабрики, воспроизводящиеся репликаторы уступили место массовому производству в стиле Генри Форда, с бесконечно повторяемыми элементарными операциями на бесчисленных крошечных конвейерах.
Это соблазнительная идея, вроде бы подтверждаемая работой клеток наших собственных тел. Мы наполнены сложными наносборщиками: вникните в работу типичной клетки, и вы увидите молекулярные моторы, преобразующие химическую энергию в механическую энергию, и мембраны с активными ионными каналами, сортирующими молекулы, - это две ключевые задачи, необходимые для базовой сборки в наномасштабе. Синтез АТФ, для примера, это запутанный кластер протеинов, составляющих механизм, который производит аденозинтрифосфат, молекулу, которая служит топливом для сокращения клеток мускулов и бесчисленного множества других клеточных процессов. Клеточная биология также демонстрирует производство, управляемое программным обеспечением, в виде синтеза протеинов. Этот процесс начинается с рибосомы, замечательной молекулярной машины, способной читать информацию с нити мРНК и преобразовывать код в последовательность аминокислот. Последовательность аминокислот, в свою очередь, определяет трёхмерную структуру протеина и его функцию. Рибосома выполняет функцию, которая ожидается от искусственного сборщика, и это доказывает, что сложная наносборка возможна.
Если биология способна произвести сложную нанотехнологию, основанную на мягких материалах вроде протеинов и жиров, думают сингуляритаристы, то намного более мощной может быть наша синтетическая нанотехнология, если мы используем прочные, жесткие материалы, вроде алмаза. И если биология может изготовить работающие моторы и сборщики, используя только случайный отбор дарвиновской эволюции, мы могли бы изготовить намного более мощные устройства, если рационально спроектируем их, используя все идеи из макроскопического производства.
Но такие рассуждения не берут в расчёт, в каком физическом окружении работает клеточная биология - это окружение не имеет ничего общего с макроскопическим миром мостов, машин и трансмиссий. В клетках вода ведёт себя подобно вязкой патоке, а не как привычная нам свободно текущая жидкость. Этим миром управляют флуктуации постоянного броуновского движения, в котором компоненты беспрестанно бомбардируются быстро движущимися молекулами воды и гнутся и растягиваются случайным образом. Сила Ван-дер-Ваальса, которая притягивает одну молекулу к другой, доминирует, из-за чего близко расположенные вещи приклеиваются друг к другу. Самыми липкими являются молекулы протеинов; их липкостью объясняется ряд нежелательных феноменов, вроде отторжения медицинских имплантов. Что защитит нанобота, осаждаемого частицами, приклеивающимися к его поверхности и забивающими его шестерёнки?
Водяная наносреда клеточной биологии кажется такой враждебной для инженерии, что сложно поверить в тот факт, что биология вообще работает. Но биология работает - и очень хорошо. Недостаток жёсткости, чрезмерная липкость, постоянное случайное движение могут казаться огромными препятствиями, которые нужно обойти, но биология пользуется своими собственными принципами проектирования, которые эволюционировали миллиарды лет, используя эти характеристики. Это жестокое сочетание сильных поверхностных сил и случайного броуновского движения на самом деле стимулирует самосборку сложных структур, вроде формирования причудливо сложенных молекул протеинов. Клеточная среда, которая на первый взгляд кажется раздражающей - заполненной вязкими объектами и случайными столкновениями частиц, - необходима для работы молекулярных моторов, в которых изменение формы молекулы протеина позволят конвертировать химическую энергию в механическую.
В конечном счете, вместо подтверждения парадигмы “жёстких” наномашин, клеточная биология ставит её под сомнение. Но даже если бы этот механико-инженерный подход мог бы работать в человеческом теле, есть несколько проблем, которые, на мой взгляд, сильно недооценили его сторонники.
Во-первых, эти строительные блоки - винтики и шестерёнки, которые можно видеть в бесчисленных симуляциях, поддерживающих идеи сингулярности, - имеют сомнительные химические свойства. Они являются по существу молекулярными кластерами с необычными и специальными формами; но далеко не очевидно, что такие кластеры являются стабильными расстановками атомов, которые не будут спонтанно перестраиваться. Эти кристаллические решётки были разработаны с помощью компьютерных программ для молекулярного моделирования, работа которых основана на принципе, что если всё в порядке с валентностями и связи не слишком искажены по сравнению с нормальными значениями, то сформированные структуры будут химически стабильны. Но это проблематичное предположение.
Регулярная кристаллическая решётка - это трёхмерная расстановка атомов и молекул с хорошо определёнными углами между связями, которые удерживают их вместе. Чтобы построить кристаллическую решётку неестественной формы - например, с изогнутой поверхностью вместо плоских граней, характерных для кристаллов, - нужно нарушить естественные расстояния и углы между атомами, что приведёт к сильному напряжению связей. Моделирующая программа может сказать вам, что связи удержатся. Однако жизнь способна разрушать компьютерные модели. Для примера, если вы попытаетесь сделать очень маленькие, сферические алмазные кристаллы, один или два уровня углеродных атомов на поверхности спонтанно перестроятся в новую форму - не алмаза, но графита.
Вторая проблема связана с силой поверхностных сил и большой площадью поверхности, которая ожидается у этих наноботов. Исследователи, пытающиеся сжать существующие микроэлектромеханические системы до наномасштабов, уже обнаружили, что сочетание трения и постоянного прилипания может быть разрушительным. Наноботы, как ожидается, будут оперировать при довольно большой удельной мощности, так что даже низкие значения трения могут испарить или сжечь крошечные машины. По меньшей мере, трение и прилипание будут подрывать химическую стабильность этих машин.
Затем, существует перспектива необратимого повреждения в случае, если реагенты - такие как вода или кислород - будут связаны наружными поверхностями нанобота, расстраивая их точную химию. Чтобы предотвратить это, наноустройства должны изготавливаться в полностью контролируемой среде. Никто ещё не знает, как можно защитить медицинского нанобота после того, как его выпустят в тёплый, битком набитый беспорядок тела, которое является, вероятно, самой неоднородной средой, какую только можно вообразить.
Наконец, вопрос в том, как сложное построение шестерёнок и винтиков, работа которого зависит от точности и жёсткости, поведёт себя в условиях теплового шума и броуновской бомбардировки при комнатной температуре. Турбулентность, которой подвергнутся наноботы, намного превзойдёт ту, которой подвержены макроскопически изготовленные структуры, и даже самые жёсткие материалы, вроде алмаза, будут гнуться и колебаться в ответ. Это всё равно что сделать часы и их шестерёнки из резины, бросить их в сушилку для белья, а потом удивляться, почему они идут неправильно. Суть в том, что мы не имеем понятия, смогут ли сложные и жёсткие механические системы - даже если они сделаны из алмаза - выжить в наномире.
Все эти осложнения вместе свидетельствуют, на мой взгляд, что диапазон условий, в которых жёсткие наномашины смогут работать, если они вообще смогут работать где-либо, будет довольно ограничен. Если, для примера, такие устройства смогут функционировать только при низких температурах и в вакууме, их влияние и экономический эффект будут фактически нулевыми.
За пятнадцать лет интенсивных нанотехнологических исследований мы даже близко не подошли к тому, чтобы испытывать экспоненциально ускоряющийся технологический прогресс по направлению к целям, указываемым сингуляритаристами. Лаборатории работающих в реальном мире нанотехнологов демонстрируют впечатляющие достижения, но они имеют мало общего с видением Дрекслера, которое, похоже, накапливает препятствия быстрее, чем может их преодолеть. Учитывая эти факты, я не могу принимать всерьёз предсказания, что изменяющая жизнь молекулярная нанотехнология придёт в течение 15 или 20 лет и ускорит приход технологической сингулярности до 2050 года.
Вместо попыток игнорировать природу или сопротивляться ей, я думаю, мы должны с ней работать. ДНК сама по себе может быть использована как строительный материал. Мы можем использовать её поразительные свойства наносборки, чтобы создать программируемые структуры, выполняющие новые и полезные функции. Химики уже создали молекулярные наночелноки и наномоторы по примеру биологических, которые могут найти захватывающие применения в доставке лекарств и тканевой инженерии.
Мы достигнем значительных медицинских успехов с помощью радикального реинжиниринга существующих микроорганизмов, особенно в области наноустройств, выполняющих диагностику и лечение некоторых расстройств. Однако потребуется долгое время для того, чтобы довести эти успехи до стадии клинического внедрения, и цель поклеточного ремонта намного выходит за рамки нашего несовершенного понимания биологической сложности.
Во многом то же самое можно сказать о компьютерах сингуляритаристов, которые потребуются для полного считывания психического состояния, и мозговых имплантах, которые легко интегрируют наши мыслительные процессы с компьютерной сетью. Да, системы интерфейса мозг-компьютер уже были построены; самая современная система может считывать около 128 нейронов. Так что у нас уже есть 128, а осталось ещё 20 миллиардов.
Тем не менее, я оптимист. Я думаю, что в ближайшем будущем мы успешно применим нанотехнологию для решения самых насущных социальных проблем, таких как проблемы энергии или окружающей среды. Для примера, новые фотоэлектрические элементы, основанные на полимерах и наночастицах, могут скоро привести к драматическим улучшениям в стоимости и производстве солнечных батарей.
Тогда что насчёт материи, управляемой компьютерными программами? Полный контроль останется недостижимой целью для будущих поколений. Однако некоторая комбинация самосборки и управляемой сборки может привести к точно построенным наноструктурам, которые будут манипулировать тем, как свет, материя и электроны взаимодействуют - это приложение нанотехнологии, которое уже ведёт к захватывающим новым открытиям. Мы только в самом начале пути к тому, что мы в конечном счёте сможем делать с помощью этих изготовленных на заказ наноструктур. Вполне возможно, что наконец мы сможем использовать непривычные квантовые эффекты на наномасштабах, чтобы реализовать настоящие квантовые вычисления и обработку информации. Здесь, я подозреваю, на самом деле лежит ключевое приложение идеи контролируемой программами материи: устройства, интегрирующие электронику и оптику, полностью использующие их квантовый характер по-настоящему оригинальными путями. Это далеко от тех крошечных алмазных машин, которые предвидят трансгуманисты.
Мы не должны отказаться от всех более радикальных целей нанотехнологии, поскольку они в в конечном счёте могут быть достигнуты путями, более долгими и значительно отличающимися от тех, что предвидели сторонники молекулярной нанотехнологии. Вероятно, мы должны быть благодарны Дрекслеру за предупреждение об общих возможностях нанотехнологии, в то же время понимая, что траектории новых технологий редко идут плавно вдоль путей, предсказанных их пионерами.
Ричард Джонс (Richard A.L. Jones) - профессор физики Университета Шеффилда в Англии. Его книга “Мягкие машины: нанотехнология и жизнь” (“Soft Machines: Nanotechnology and Life”, 2004), утверждает, что нанотехнология должна учиться у биологии не меньше, чем у инженерии. Он ведёт блог http://www.softmachines.org.
Биологические наноботы могли бы ремонтировать и улучшать человеческое тело, но в них будет больше от биологии, чем от робота.
Как ввести человечество в эру трансгуманистического блаженства? Во-первых, избавиться от дефицита. Во-вторых, искоренить смерть. В третьих, устранить запутанные механизмы, которые вносят несовершенства в человеческое тело. С помощью чего добиться этих трёх целей? С помощью молекулярной нанотехнологии - по существу, сведения всех материальных вещей к статусу программного обеспечения.
Сведение замечательной сложности нашего мира к списку инструкций, простому рецепту потребовало бы управления самыми базовыми компонентами жизни. Начнём с земного запаса атомов. Эволюция, законы физики, и большая доза случайности выстроили из этих атомов объекты и жизненные формы вокруг нас. Если бы мы могли знать позицию и тип каждого атома объекта, а также помещать атомы в нужные позиции, тогда в принципе мы могли бы воспроизводить с абсолютной точностью любую материальную вещь из её составных частей. Любой материал или предмет, будь то скрипка Страдивари или стейк, легко было бы получить в изобилии. Мы могли бы строить искусственные части тела со способностями, намного превосходящими естественные. Были бы радикально трансформированы экономика, окружающая среда и даже значение слов “быть человеком”.
Этот взгляд на будущее широко распространён среди тех, кто ожидает технологическую сингулярность, когда создание сверхразумных, самовоспроизводящихся машин вызовет быстрое технологическое развитие и экономический рост, превращая людей в киборгов, которые будут сверхлюдьми и, быть может, даже бессмертными. Некоторые из этих футуристов убеждены, что это оживление случится всего через несколько десятилетий. Но в научных институтах и промышленности нанотехнологи работают над совсем другим набором технологий. Многие из этих проектов почти наверняка окажутся полезными, прибыльными или даже приведут к значительным преобразованиям, но ни один из них не ведёт к трансгуманистическому вознесению, которое предвидят сингуляритаристы. Не в ближайшем столетии, в любом случае.
Не то чтобы перспектива сингулярности вообще не проглядывала в современных работах. Просто пропасть между ней и современным положением немного похожа на дистанцию между путешествием на лошадях и кабриолетах и межпланетным транспортом. Датой рождения нанотехнологии обычно считают 1989 год, когда сотрудник IBM Don Eigler использовал сканирующий туннельный микроскоп для выстраивания логотипа компании из атомов ксенона. С тех пор возникла целая область, основанная главным образом на специально спроектированных молекулах, которые попали в такие потребительские товары, как немнущаяся одежда, более эффективные солнцезащитные кремы, и более крепкие спортивные ракетки.
Но очень долгий путь предстоит пройти от самой лучшей теннисной ракетки до умных нанороботов, способных целым роем проникнуть в наше тело, подобно мельчайшим ангелам-хранителям, распознать и починить повреждённые клетки или ДНК, и обнаруживать, преследовать и уничтожать вредоносные вирусы и бактерии. Однако трансгуманисты недооценивают величину такого скачка. Они смотрят на манипулирование атомами или молекулами с помощью сканирующего туннельного микроскопа, и видят рои манипуляторов, которые сами по себе измеряются в нанометрах. Под контролем компьютерных программ эти “нанофабрики” могли бы выстраивать атомы в любой паттерн, согласующийся с законами физики.
Трансгуманисты мечтают не о копировании существующих материалов, но об интегрировании в них почти неограниченной функциональности: самые современные сенсоры и обработчики информации могут быть встроены в саму материю нашего существования, вместе с моторами, обладающими поражающей удельной мощностью. Сингуляритаристы ожидают, что закон Мура будет продолжать действовать неопределённо долго, давая нам огромную вычислительную мощь в крошечных пакетах, что необходимо для управления этими нанофабриками. Эти очень маленькие роботы, или наноботы, не нужно ограничивать защитой нашего тела; если они могут исправлять и очищать, почему не расширять и улучшать? Нейронаноботы могли бы обеспечить прямой интерфейс между нашим мозгом и мощными компьютерами с огромными базами данных.
Быть может, мы могли бы полностью покинуть наши тела. Только необходимость сохранять содержание наших памяти и сознания, наши ментальные идентичности, привязывает нас к ним. Возможно, эти наноботы даже смогут проплыть через наши мозги, считывая и загружая наши мысли и воспоминания, то есть наши личности целиком, в мощный компьютер.
Это экспансивное видение молекулярной нанотехнологии обязано Эрику Дрекслеру не меньшим, чем всем остальным. Выпускник MIT и студент Марвина Минского, Дрекслер изложил своё видение в книге “Наносистемы” (1992). В течение последних 16 лет эти идеи подхватили и расширили другие футуристы.
В своей книге Дрекслер предвидит наноструктуры, построенные из самых прочных и жёстких доступных материалов, используя принципы рационального проектирования, взятые из машиностроения. Фундаментальные строительные блоки этой парадигмы - крошечные, жёсткие винтики и шестерёнки, похожие на пластиковые детали Лего. Шестерёнки могли бы передавать энергию от выполненных в наномасштабе электрических моторов, и они были бы достаточно малы, чтобы участвовать в присоединении одной молекулы к другой. Также они могли бы обрабатывать информацию. Дрекслер черпал вдохновение для своего видения мельчайших механических компьютеров из предыдущего поколения вычислительных устройств, которые использовали рычаги и шестерёнки вместо транзисторов,
Если предположить, что структура объекта легко может быть сведена к его молекулярному строению, первым делом нужно понять, как преобразовать макроскопические методы изготовления в манипуляции в наномасштабе. Например, пусть вы хотите новую поджелудочную железу. Ваша первая большая проблема возникает из того факта, что одна человеческая клетка состоит из порядка 10^14 атомов, и поджелудочная железа состоит из как минимум 80 миллиардов клеток (вероятно, их там больше). Мы могли бы использовать сканирующий туннельный микроскоп, чтобы позиционировать отдельные атомы с некоторой точностью, но создание макроскопического объекта таким путём заняло бы очень много времени.
Теоретическим решением изначально была идея, известная как экспоненциальное изготовление. В её простейшей форме, она говорит о гипотетическом “наносборщике” (наноассемблере) который мог бы создавать объекты своего масштаба. Для примера, он мог бы построить другой сборщик, и каждый сборщик после этого мог бы продолжать делать ещё сборщики, и в результате было бы построено множество сборщиков, которые совместными силами могли бы создать макроскопический объект.
Не рассматривая огромные проблемы с созданием и координированием этих наносборщиков, некоторые теоретики были озабочены сценарием конца света, известным как проблема “серой слизи”. Вышедшие из под контроля репликаторы могли бы ненасытно поглощать ресурсы, производя ещё больше репликаторов; это футуристическая версия старой истории об ученике чародея. Не беспокойтесь, говорят Дрекслер и его коллеги. В его самом последнем видении нанофабрики, воспроизводящиеся репликаторы уступили место массовому производству в стиле Генри Форда, с бесконечно повторяемыми элементарными операциями на бесчисленных крошечных конвейерах.
Это соблазнительная идея, вроде бы подтверждаемая работой клеток наших собственных тел. Мы наполнены сложными наносборщиками: вникните в работу типичной клетки, и вы увидите молекулярные моторы, преобразующие химическую энергию в механическую энергию, и мембраны с активными ионными каналами, сортирующими молекулы, - это две ключевые задачи, необходимые для базовой сборки в наномасштабе. Синтез АТФ, для примера, это запутанный кластер протеинов, составляющих механизм, который производит аденозинтрифосфат, молекулу, которая служит топливом для сокращения клеток мускулов и бесчисленного множества других клеточных процессов. Клеточная биология также демонстрирует производство, управляемое программным обеспечением, в виде синтеза протеинов. Этот процесс начинается с рибосомы, замечательной молекулярной машины, способной читать информацию с нити мРНК и преобразовывать код в последовательность аминокислот. Последовательность аминокислот, в свою очередь, определяет трёхмерную структуру протеина и его функцию. Рибосома выполняет функцию, которая ожидается от искусственного сборщика, и это доказывает, что сложная наносборка возможна.
Если биология способна произвести сложную нанотехнологию, основанную на мягких материалах вроде протеинов и жиров, думают сингуляритаристы, то намного более мощной может быть наша синтетическая нанотехнология, если мы используем прочные, жесткие материалы, вроде алмаза. И если биология может изготовить работающие моторы и сборщики, используя только случайный отбор дарвиновской эволюции, мы могли бы изготовить намного более мощные устройства, если рационально спроектируем их, используя все идеи из макроскопического производства.
Но такие рассуждения не берут в расчёт, в каком физическом окружении работает клеточная биология - это окружение не имеет ничего общего с макроскопическим миром мостов, машин и трансмиссий. В клетках вода ведёт себя подобно вязкой патоке, а не как привычная нам свободно текущая жидкость. Этим миром управляют флуктуации постоянного броуновского движения, в котором компоненты беспрестанно бомбардируются быстро движущимися молекулами воды и гнутся и растягиваются случайным образом. Сила Ван-дер-Ваальса, которая притягивает одну молекулу к другой, доминирует, из-за чего близко расположенные вещи приклеиваются друг к другу. Самыми липкими являются молекулы протеинов; их липкостью объясняется ряд нежелательных феноменов, вроде отторжения медицинских имплантов. Что защитит нанобота, осаждаемого частицами, приклеивающимися к его поверхности и забивающими его шестерёнки?
Водяная наносреда клеточной биологии кажется такой враждебной для инженерии, что сложно поверить в тот факт, что биология вообще работает. Но биология работает - и очень хорошо. Недостаток жёсткости, чрезмерная липкость, постоянное случайное движение могут казаться огромными препятствиями, которые нужно обойти, но биология пользуется своими собственными принципами проектирования, которые эволюционировали миллиарды лет, используя эти характеристики. Это жестокое сочетание сильных поверхностных сил и случайного броуновского движения на самом деле стимулирует самосборку сложных структур, вроде формирования причудливо сложенных молекул протеинов. Клеточная среда, которая на первый взгляд кажется раздражающей - заполненной вязкими объектами и случайными столкновениями частиц, - необходима для работы молекулярных моторов, в которых изменение формы молекулы протеина позволят конвертировать химическую энергию в механическую.
В конечном счете, вместо подтверждения парадигмы “жёстких” наномашин, клеточная биология ставит её под сомнение. Но даже если бы этот механико-инженерный подход мог бы работать в человеческом теле, есть несколько проблем, которые, на мой взгляд, сильно недооценили его сторонники.
Во-первых, эти строительные блоки - винтики и шестерёнки, которые можно видеть в бесчисленных симуляциях, поддерживающих идеи сингулярности, - имеют сомнительные химические свойства. Они являются по существу молекулярными кластерами с необычными и специальными формами; но далеко не очевидно, что такие кластеры являются стабильными расстановками атомов, которые не будут спонтанно перестраиваться. Эти кристаллические решётки были разработаны с помощью компьютерных программ для молекулярного моделирования, работа которых основана на принципе, что если всё в порядке с валентностями и связи не слишком искажены по сравнению с нормальными значениями, то сформированные структуры будут химически стабильны. Но это проблематичное предположение.
Регулярная кристаллическая решётка - это трёхмерная расстановка атомов и молекул с хорошо определёнными углами между связями, которые удерживают их вместе. Чтобы построить кристаллическую решётку неестественной формы - например, с изогнутой поверхностью вместо плоских граней, характерных для кристаллов, - нужно нарушить естественные расстояния и углы между атомами, что приведёт к сильному напряжению связей. Моделирующая программа может сказать вам, что связи удержатся. Однако жизнь способна разрушать компьютерные модели. Для примера, если вы попытаетесь сделать очень маленькие, сферические алмазные кристаллы, один или два уровня углеродных атомов на поверхности спонтанно перестроятся в новую форму - не алмаза, но графита.
Вторая проблема связана с силой поверхностных сил и большой площадью поверхности, которая ожидается у этих наноботов. Исследователи, пытающиеся сжать существующие микроэлектромеханические системы до наномасштабов, уже обнаружили, что сочетание трения и постоянного прилипания может быть разрушительным. Наноботы, как ожидается, будут оперировать при довольно большой удельной мощности, так что даже низкие значения трения могут испарить или сжечь крошечные машины. По меньшей мере, трение и прилипание будут подрывать химическую стабильность этих машин.
Затем, существует перспектива необратимого повреждения в случае, если реагенты - такие как вода или кислород - будут связаны наружными поверхностями нанобота, расстраивая их точную химию. Чтобы предотвратить это, наноустройства должны изготавливаться в полностью контролируемой среде. Никто ещё не знает, как можно защитить медицинского нанобота после того, как его выпустят в тёплый, битком набитый беспорядок тела, которое является, вероятно, самой неоднородной средой, какую только можно вообразить.
Наконец, вопрос в том, как сложное построение шестерёнок и винтиков, работа которого зависит от точности и жёсткости, поведёт себя в условиях теплового шума и броуновской бомбардировки при комнатной температуре. Турбулентность, которой подвергнутся наноботы, намного превзойдёт ту, которой подвержены макроскопически изготовленные структуры, и даже самые жёсткие материалы, вроде алмаза, будут гнуться и колебаться в ответ. Это всё равно что сделать часы и их шестерёнки из резины, бросить их в сушилку для белья, а потом удивляться, почему они идут неправильно. Суть в том, что мы не имеем понятия, смогут ли сложные и жёсткие механические системы - даже если они сделаны из алмаза - выжить в наномире.
Все эти осложнения вместе свидетельствуют, на мой взгляд, что диапазон условий, в которых жёсткие наномашины смогут работать, если они вообще смогут работать где-либо, будет довольно ограничен. Если, для примера, такие устройства смогут функционировать только при низких температурах и в вакууме, их влияние и экономический эффект будут фактически нулевыми.
За пятнадцать лет интенсивных нанотехнологических исследований мы даже близко не подошли к тому, чтобы испытывать экспоненциально ускоряющийся технологический прогресс по направлению к целям, указываемым сингуляритаристами. Лаборатории работающих в реальном мире нанотехнологов демонстрируют впечатляющие достижения, но они имеют мало общего с видением Дрекслера, которое, похоже, накапливает препятствия быстрее, чем может их преодолеть. Учитывая эти факты, я не могу принимать всерьёз предсказания, что изменяющая жизнь молекулярная нанотехнология придёт в течение 15 или 20 лет и ускорит приход технологической сингулярности до 2050 года.
Вместо попыток игнорировать природу или сопротивляться ей, я думаю, мы должны с ней работать. ДНК сама по себе может быть использована как строительный материал. Мы можем использовать её поразительные свойства наносборки, чтобы создать программируемые структуры, выполняющие новые и полезные функции. Химики уже создали молекулярные наночелноки и наномоторы по примеру биологических, которые могут найти захватывающие применения в доставке лекарств и тканевой инженерии.
Мы достигнем значительных медицинских успехов с помощью радикального реинжиниринга существующих микроорганизмов, особенно в области наноустройств, выполняющих диагностику и лечение некоторых расстройств. Однако потребуется долгое время для того, чтобы довести эти успехи до стадии клинического внедрения, и цель поклеточного ремонта намного выходит за рамки нашего несовершенного понимания биологической сложности.
Во многом то же самое можно сказать о компьютерах сингуляритаристов, которые потребуются для полного считывания психического состояния, и мозговых имплантах, которые легко интегрируют наши мыслительные процессы с компьютерной сетью. Да, системы интерфейса мозг-компьютер уже были построены; самая современная система может считывать около 128 нейронов. Так что у нас уже есть 128, а осталось ещё 20 миллиардов.
Тем не менее, я оптимист. Я думаю, что в ближайшем будущем мы успешно применим нанотехнологию для решения самых насущных социальных проблем, таких как проблемы энергии или окружающей среды. Для примера, новые фотоэлектрические элементы, основанные на полимерах и наночастицах, могут скоро привести к драматическим улучшениям в стоимости и производстве солнечных батарей.
Тогда что насчёт материи, управляемой компьютерными программами? Полный контроль останется недостижимой целью для будущих поколений. Однако некоторая комбинация самосборки и управляемой сборки может привести к точно построенным наноструктурам, которые будут манипулировать тем, как свет, материя и электроны взаимодействуют - это приложение нанотехнологии, которое уже ведёт к захватывающим новым открытиям. Мы только в самом начале пути к тому, что мы в конечном счёте сможем делать с помощью этих изготовленных на заказ наноструктур. Вполне возможно, что наконец мы сможем использовать непривычные квантовые эффекты на наномасштабах, чтобы реализовать настоящие квантовые вычисления и обработку информации. Здесь, я подозреваю, на самом деле лежит ключевое приложение идеи контролируемой программами материи: устройства, интегрирующие электронику и оптику, полностью использующие их квантовый характер по-настоящему оригинальными путями. Это далеко от тех крошечных алмазных машин, которые предвидят трансгуманисты.
Мы не должны отказаться от всех более радикальных целей нанотехнологии, поскольку они в в конечном счёте могут быть достигнуты путями, более долгими и значительно отличающимися от тех, что предвидели сторонники молекулярной нанотехнологии. Вероятно, мы должны быть благодарны Дрекслеру за предупреждение об общих возможностях нанотехнологии, в то же время понимая, что траектории новых технологий редко идут плавно вдоль путей, предсказанных их пионерами.
Ричард Джонс (Richard A.L. Jones) - профессор физики Университета Шеффилда в Англии. Его книга “Мягкие машины: нанотехнология и жизнь” (“Soft Machines: Nanotechnology and Life”, 2004), утверждает, что нанотехнология должна учиться у биологии не меньше, чем у инженерии. Он ведёт блог http://www.softmachines.org.