Глава 2. Универсальные ассемблеры

      Второе поколение наномашин будет способно делать все то, что могут белки делать в принципе, и даже более того. В частности, некоторые наномашины будут служить как усовершенствованные устройства для сборки молекулярных структур. Устойчивые к кислоте или вакууму, замораживанию или нагреву, в зависимости от цели использования, ферментоподобные машины второго поколения будут способны использовать в качестве "инструментов" почти любую из молекул, используемых химиками в реакциях, но они будут с ними обращаться с точностью программируемых машин. Они будут способны связать атомы для получения практически любой устойчивой структуры, добавляя отдельные атомы к поверхности синтезируемой структуры до тех пор, пока эта сложная структура не будет завершена. Под словом "наномашина" здесь следует подразумевать слово "ассемблер".

       Поскольку ассемблеры позволят нам размещать атомы почти любым разумным образом, они позволят нам строить почти всё, что угодно и чему законы природы не противоречат. В частности, они позволят нам строить и новые ассемблеры. Последствия этого будут глубокими потому, что наши грубые инструменты позволяют нам исследовать только малую часть всего спектра возможностей, которые позволяет природа.

       Ассемблеры откроют мир новых технологий. Успехи в медицинских, космических, вычислительных, военных технологиях - все они зависят от нашей способности упорядочивать атомы. С ассемблерами мы будем способны повторно переделать наш мир или уничтожить его. На этом этапе кажется разумным отступить назад и посмотреть настолько внимательно, насколько это возможно, чтобы убедиться, что ассемблеры и нанотехнология - не просто футурологический мираж.

      Каковы выводы? Все, что здесь предлагается, в большой мере основывается на доказанных фактах химии и молекулярной биологии. Однако люди регулярно поднимают некоторые вопросы, уходящие корнями в физику и биологию. Эти вопросы заслуживают более прямых ответов. Не сделает ли принцип неопределённости квантовой физики молекулярные машины неосуществимыми? Кроме всего прочего, этот принцип говорит о том, что невозможно определить точное местоположение частицы в течение любого отрезка времени. Это ограничивает понимание того, что уже могут делать молекулярные машины, равно как и ограничивает понимание того, что они смогут делать что-то еще в будущем.

      Тем не менее, вычисления показывают, что принцип неопределённости накладывает мало существенных ограничений на то, насколько правильно атомы можно разместить на своих местах, по крайней мере, для тех целей, которые обрисовываются здесь. Принцип неопределённости делает местоположение электронов довольно расплывчатым, и в действительности эта расплывчатость определяет сам размер и структуру атомов. Атом как целое, однако, имеет сравнительно определённое местоположение, установленное относительно своего массивного ядра. Если бы атомы не сохраняли своё устойчивое положение, молекулы бы вовсе не существовали. Квантовой механике нет необходимости  доказывать эти заключения, поскольку молекулярные машины в клетке наглядно демонстрируют то, что молекулярные машины успешно работают.

     Не сделают ли тепловые вибрации молекул молекулярные машины неработоспособными или слишком ненадёжными, чтобы их использовать? Тепловые колебания создают больше проблем, чем принцип неопределенности. Однако здесь опять существующие молекулярные машины наглядно демонстрируют, что они могут работать при обычных температурах. Несмотря на тепловые колебания, механизмы копирования ДНК в некоторых клетках делают меньше чем одну ошибку на 100 000 000 000 операций. Но чтобы достичь такой точности, клетки используют молекулярные машины (такие, как фермент ДНК-полимераза), которые проверяют копию и исправляют ошибки.

      Для ассемблеров вполне может быть необходимы аналогичные способности проверки и исправления ошибок, если они предназначены выдавать надёжные результаты. Не будет ли радиация разрушать молекулярные машины или делать их непригодными для использования? Радиация высокой энергии может нарушать химические связи и разрушать молекулярные машины.

       Живые клетки еще раз показывают, что решения проблемы существуют: они работают в течение многих лет, восстанавливая и заменяя поврежденные радиацией части. Однако поскольку каждая отдельная машина такая крошечная, она представляет собой маленькую цель для радиации, и радиация редко в неё попадает. Всё же, для того чтобы система наномашин была бы надёжной, она должна выдерживать определённое количество повреждений, а повреждённые части должны регулярно восстанавливаться, ремонтироваться или заменяться.

       Этот подход к надёжности хорошо знаком разработчикам самолётов и космических кораблей. Эволюция в природе не сумела произвести ассемблеры.Не говорит ли это о том, что они являются либо невозможными, либо бесполезными? В предыдущих главах уже упоминались примеры работающих молекулярных машин. Они представляют собой простое и мощное доказательство того, что законы природы позволяют маленьким группам атомов вести себя как управляемые машины, способные строить другие наномашины.

       Однако вопреки тому, что они в основе напоминают рибосомы, ассемблеры будут отличаться от всего, что находится в клетках. Хотя они состоят в обычных движениях молекул, взаимодействиях и реакциях,они будут создавать новые результаты. Например, ни одна живая клетка не производит алмазное волокно.

       Мысль о том, что новые виды наномашин дадут новые полезные возможности может показаться потрясающей: за все миллиарды лет развития жизнь всегда в основе существовала  только благодаря белковым машинам. Но говорит ли это о том, что усовершенствования были невозможны? Эволюция происходит небольшими изменениями, и эволюция ДНК не может легко и быстро заменить одну форму ДНК другой. Так как система ДНК-РНК-рибосома специализирована для построения белков, живая материя не имела никакой реальной возможности развить альтернативный вариант.

      Любой менеджер производства может хорошо оценить и объяснить причины этой невозможности. Жизнь - нечто большее, чем просто фабрика, она не может себе позволить прекратить деятельность, чтобы заменить свои системы на новые. Улучшенные молекулярные машины не должны нас удивлять больше, чем сплав стали, который в десять раз прочнее кости, или медные провода, передающие сигналы в миллион раз быстрее нейронов.

       Автомобили обгоняют гепардов, реактивные самолеты летают быстрее соколов, и компьютеры уже считают быстрее самых талантливых из людей. Будущее даст новые примеры улучшений в биологической эволюции, из которых второе поколение наномашин будет лишь одним их примеров. В физических терминах, достаточно ясно, почему усовершенствованные ассемблеры будут способны делать больше, чем существующие белковые машины. Они будут программироваться подобно рибосомам, но они будут способны использовать более широкий диапазон инструментов, чем все ферменты в клетке вместе взятые. Поскольку они будут сделаны из материалов, намного более прочных, твёрдых и устойчивых, чем белки, они будут способны развивать большие мощности, двигаться с большей точностью и выносить более суровые условия.

       Подобно промышленным манипуляторам, но в отличие от чего-либо в живой клетке, они будут способны вращаться и двигать молекулы в трёх измерениях под программным управлением, делая возможным точную сборку сложных объектов. Эти преимущества будут давать им возможность собирать намного более широкий спектр молекулярных структур, чем это делали живые клетки.

      Не имеет ли жизнь в себе нечто особое сверхъестественное, без чего молекулярные машины не будут работать? Можно было бы сомневаться, что искусственные наномашины могли бы даже приблизиться к способностям наномашин в клетке, если бы была причина думать, что в клетках есть нечто сверхъестественное, что заставляет их работать. Эта идея называется "витализм". Биологи отказались от неё, потому что они нашли химические и физические объяснения для каждого уже изученного аспекта живой клетки, включая движение, рост и воспроизводство.

       Действительно, это знание является самой основой биотехнологии. Наномашины, плавающие в стерильных испытательных пробирках вне клеток, заставили выполнять все основные виды действий, которые они выполняют внутри живых клеток. Начиная с химических веществ, которые могут быть получены из дыма, биохимики построили работающие белковые машины без помощи клеток. Р.Б. Меррифилд, например, использовал химические методы для сборки простых аминокислот в рибонуклеазу поджелудочной железы бычка, комплекс ферментов, который разбирает на части молекулы РНК.

       Жизнь специфична по структуре, по поведению, а также по тому, что она чувствует изнутри по поводу того, что она жива, но законы природы, которые управляют механизмами жизни, также управляют всей остальной вселенной. Доказательства реализуемости ассемблеров и других наномашин могут казаться обоснованными, но почему бы просто не подождать и не посмотреть, действительно ли они могут быть разработаны?

       Чистое любопытство кажется достаточной причиной, чтобы исследовать возможности, открытые нанотехнологией, но есть более веские причины. Эти достижения будут особенно актуальны для современного человечества в пределах от десяти до пятидесяти лет, то есть в пределах сроков нашей жизни и жизни членов наших семей.

       Весьма существенно, что концепция "поживем-увидим" обошлась бы слишком дорого: она бы стоила миллионы жизней, и, возможно, самой жизни на Земле. Является ли доказательство реализуемости нанотехнологии и ассемблеров достаточно обоснованным, чтобы быть принятым всерьез? По-видимому, это так, поскольку суть доказательства опирается на два известных факта науки и конструирования: (1) - существующие молекулярные машины служат целому ряду простых функций, (2) - отдельные элементы, служащие этим простым функциям, могут быть скомбинированы так, чтобы строить сложные машины. Поскольку химические реакции могут связывать атомы различным образом и поскольку молекулярные машины могут направлять химические реакции в соответствии с программными инструкциями, становится понятно, что ассемблеры, как конструкции, в приниципе могут быть созданы.

       Нанокомпьютеры. Ассемблеры принесут одно крупное достижение очевидной и фундаментальной важности: инженеры будут их использовать для того, чтобы сократить размеры и стоимость микросхем компьютера и ускорить их функционирование на много порядков. С сегодняшней балк-технологией инженеры создают схемы на кремниевых чипах, обстреливая их атомами и фотонами, но схемы остаются плоскими, и неизбежны дефекты молекулярного масштаба.

      С ассемблерами, однако, инженеры будут строить схемы в трёх измерениях,с точностью до атома. Точные ограничения электронной технологии сегодня остаются неопределёнными, поскольку квантовое поведение электронов в сложных сетях крошечных структур представляет собой комплекс сложных проблем, некоторые из которых вытекают напрямую из принципа неопределённости.

       Но где бы ни появились ограничения, они будут преодолены с помощью ассемблеров. Самые быстрые компьютеры будут использовать электронные эффекты, но самые маленькие их могут не использовать. Это может показаться странным, однако сущность вычисления не имеет никакого отношения к электронике. Цифровой компьютер - собрание выключателей, способных включать и выключать друг друга. Его переключатели начинают работать в одном положении, а далее переключают друг друга в новое положение и т.д. Такие схемы могут отображать почти всё, что угодно.

       Инженеры строят компьютеры из крошечных электронных переключателей, связанных проводами просто потому, что механические переключатели, связанные проволочками или ниточками, были бы сегодня большими, медленными, ненадёжными и дорогими. Идея относительно полностью механического компьютера вряд ли нова. В Англии в течение середины 1800-х Чарльз Бэббидж изобрел механический компьютер, построенный из медных механических частей. Его сотрудница Августа Ада, графиня ловеласов, изобрела программирование компьютера.

       Бесконечное перепроектирование машины Бэббиджем, проблемы с правильным изготовлением, противодействие критиков, контролирующих бюджет (некоторые сомневались в самой полезности компьютеров!) - всё это вместе препятствовало тому, чтобы  завершить проект. В этой же традиции Дэнни Хиллис и Брайен Сильверман лаборатории Искусственного интеллекта Массачусетского Технологического института построили специализированный механический компьютер, умеющий играть в крестики-нолики. Длиной и шириной в несколько метров, полный вращающихся валов и подвижных рамок, который представляли состояние доски и стратегию игры, он сейчас стоит в Музее компьютеров в Бостоне. Он выглядит во многом подобно большой молекулярной модели из шариков и палочек, поскольку он построен из конструктора Тинкертой.

       Медные механизмы и конструктор Тинкертой способствуют появлению больших, медленных компьютеров (первый набор детского конструктора, названного Tinkertoy, был изготовлен в 1913 году). Однако с компонентами шириной в несколько атомов, простой механический компьютер поместился бы в 1/100 кубического микрона, т.е. оказался бы во много миллиардов раз более компактным, чем сегодняшняя микроэлектроника. Даже с миллиардом байт памяти наномеханический компьютер мог бы поместиться в коробочку шириной один микрон, т.е. размером с бактерию. И он был бы быстрым! Хотя механические сигналы движутся примерно в 100 000 раз медленнее, чем электрические сигналы в сегодняшних машинах, им бы требовалось проходить лишь 1/1 000 000 расстояния, поэтому задержка оказалась бы меньше. Поэтому простой механический компьютер будет работать быстрее, чем супербыстрые электронные компьютеры сегодня.

      Электронные нанокомпьютеры, вероятно, будут в тысячи раз быстрее, чем электронные микрокомпьютеры, возможно, в сотни тысяч раз быстрее, если схема, предложенная Нобелевским лауреатом, физиком Ричардом Фейнманом, себя оправдает. Увеличенная скорость путём уменьшения размера - это довольно старая история в электронике.

      Дизассемблеры. Молекулярные компьютеры будут управлять молекулярными ассемблерами, обеспечивая быстрый поток инструкций, необходимых, чтобы направить размещение крупных совокупностей атомов. Нанокомпьютеры с молекулярными устройствами памяти будут также хранить данные, произведенные процессом, который является противоположным сборке.

     Ассемблеры помогут инженерам синтезировать вещи. Их родственники, дизассемблеры, помогут ученым и инженерам анализировать вещи. Что касается ассемблеров, они опираются на способность ферментов и химических реакций формировать связи и способность машин управлять процессом.

      Дизассемблеры же опираются на способность ферментов и химических реакций разрушать связи, и машин - управлять процессом. Ферменты, кислоты, окислители, металлы, щелочи, ионы и реагирующие группы атомов, называемые свободными радикалами, - все могут разрушать связи и удалять группы атомов. Поскольку нет ничего, что было бы абсолютно невосприимчивым к коррозии, по-видимому, молекулярные инструменты будут способны что-либо разбирать, по нескольким атомам за раз. Что более существенно, наномашина могла бы (в случае необходимости и подходящего случая) также применять и механические силы, в результате освобождая группы атомов.

      Наномашина, способная это делать, записывая, что она удаляет слой за слоем, - это дизассемблер. Ассемблеры, дизассемблеры и нанокомпьютеры будут работать вместе. Например, нанокомпьютерная система будет способна направить разборку объекта, записать его структуру, и потом управлять сборкой идеальной копии. И всё это ещё только некоторые намёки на реальную мощь нанотехнологии.

     Пройдут годы, пока появятся ассемблеры, но их появление кажется почти неизбежным: хотя путь к ассемблерам имеет много шагов, каждый шаг сделает следующий досягаемым, и каждый принесет конкретный выигрыш. Первые шаги под названием "генная инженерия" и "биотехнология" уже предприняты. Кажутся возможными и другие пути к получению ассемблеров. Исключая разрушение мира или мировое господство, гонка технологий будет продолжаться, независимо от того, хотим мы этого или нет. И по мере того, как успехи в проектировании с помощью ЭВМ будут ускорять развитие молекулярных инструментов, продвижение к ассемблерам будет ускоряться.

     Чтобы иметь хоть какую-то надежду понять наше будущее, мы должны понять последствия ассемблеров, дизассемблеров и нанокомпьютеров. Они обещают повлечь изменения столь же глубокие, как индустриальная революция, антибиотики и ядерные оружие, соединённые в один огромный, мощный прорыв. Чтобы понять будущее таких глубоких изменений, имеет смысл поискать принципы изменения, которые пережили величайшие изменения прошлого. Они окажутся полезным руководством к действию.