Які будуть висновки?

У всьому, що описано вище, значною мірою все ґрунтується на доведених фактах хімії та молекулярної біології. Однак люди регулярно піднімають деякі питання, що йдуть коренями в фізику і біологію. Ці питання заслуговують більш прямих відповідей.

Чи не зробить принцип невизначеності квантової фізики молекулярні машини нездійсненними?

Крім усього іншого цей принцип говорить про те, що неможливо визначити точне місце розташування частинки протягом будь-якого відрізка часу. Це обмежує те, що можуть робити молекулярні машини, так само як і обмежує те, що може робити що завгодно ще. Тим не менш, обчислення показують, що принцип невизначеності накладає мало суттєвих обмежень на те, наскільки добре атоми можна розміщувати на свої місця, принаймні, для тих цілей, які вимальовуються тут. Принцип невизначеності робить розташування електронів досить розпливчастим, і насправді ця розпливчастість визначає сам розмір і структуру атомів. Атом як ціле, однак, має порівняно певне місце розташування, встановлене своєму відносно масивного ядра. Якби атоми не додержували своє становище порівняно добре, молекули б не існували. Квантової механіки не потрібно, щоб довести ці висновки, оскільки молекулярні машини в клітці демонструють те, що молекулярні машини працюють.

Чи не зроблять теплові вібрації молекул молекулярні машини непрацездатними або занадто ненадійними, щоб їх використовувати?

Теплові коливання заподіють більші проблеми, ніж принцип невпевненості, однак тут знову існуючі молекулярні машини безпосередньо демонструють, що молекулярні машини можуть працювати при звичайних температурах. Незважаючи на теплові коливання, механізми копіювання ДНК в деяких клітинах роблять менше ніж одну помилку на 100 млрд операцій. Щоб досягти такої точності, однак, клітини використовують машини (такі як фермент ДНК-полімераза I), які перевіряють копію і виправляють помилки. Для асемблерів цілком може бути необхідні аналогічні здатності перевірки та виправлення помилок, якщо вони призначені видавати надійні результати.

Чи не буде радіація руйнувати молекулярні машини або робити їх непридатними для використання?

Радіація високої енергії може порушувати хімічні зв'язки і руйнувати молекулярні машини. Живі клітини ще раз показують, що рішення існують: вони працюють протягом років, відновлюючи і замінюючи пошкоджені радіацією частини. Однак оскільки кожна окрема машина така крихітна, вона являє собою маленьку мету для радіації, і радіація рідко в неї потрапляє. Все ж, якщо система наномашин повинна бути надійна, то вона повинна витримувати певну кількість пошкоджень, а пошкоджені частини повинні регулярно лагодитися або замінюватися. Цей підхід до надійності добре знайомий розробникам літаків і космічних кораблів.

Еволюція не зуміла справити асемблери, не говорить це про те, що вони є або неможливими, або марними?

Відповідаючи на попередні питання, ми частково посилалися на вже працюючі молекулярні машини клітин. Вони являють собою просте і потужне доказ того, що закони природи дозволяють маленьким групам атомів вести себе як керовані машини, здатні будувати інші наномашини. Однак попри те, що вони в основі нагадують рибосоми, асемблери будуть відрізнятися від усього, що знаходиться в клітинах; хоча вони складаються в звичайних рухах молекул і реакціях, те, що вони роблять, матиме нові результати. Наприклад, жодна клітина не виробляє алмазного волокна.

Думка, що нові види наномашин дадуть нові корисні здібності, може здаватися приголомшливою: за всі мільярди років розвитку життя в основі завжди покладалася тільки на білкові машини. Але чи говорить це про те, що вдосконалення були неможливі? Еволюція йде невеликими змінами, і еволюція ДНК не може легко замінити ДНК. Так як система ДНК-РНК-рибосома спеціалізована для побудови білків, життя не мала ніякої реальної можливості розвинути альтернативний варіант. Будь виробничий менеджер добре може оцінити причини цього; життя - більше ніж фабрика, вона не може собі дозволити припинити діяльність, щоб замінити свої системи на нові.

Покращені молекулярні машини повинні нас дивувати не більш, ніж сплав сталі, який в десять разів міцніше кістки, або мідні дроти, що передають сигнали в мільйон разів швидше нервів. Автомобілі обганяють гепардів, реактивні літаки літають швидше соколів, і комп'ютери вже вважають швидше найталановитіших з людей. Майбутнє дасть нові приклади поліпшень в біологічної еволюції, з яких друге покоління наномашин буде лише одним.

У фізичних термінах, досить ясно, чому вдосконалені асемблери будуть здатні робити більше, ніж існуючі білкові машини. Вони будуть програмуватися подібно рибосомам, але вони будуть здатні використовувати більш широкий діапазон інструментів, ніж всі ферменти в клітці разом узяті. Оскільки вони будуть зроблені з матеріалів, набагато більш міцних, твердих і стійких, ніж білки, вони будуть здатні розвивати великі потужності, рухатися з більшою точністю і виносити більш суворі умови. Подібно промисловим маніпуляторам, але на відміну від чого-небудь в живій клітині, вони будуть здатні обертатися і рухати молекули в трьох вимірах під програмним управлінням, роблячи можливим точну збірку складних об'єктів. Ці переваги будуть давати їм можливість збирати набагато більш широкий спектр молекулярних структур, ніж це робили живі клітини.

Чи не має життя в собі щось особливе надприродне, без чого молекулярні машини не будуть працювати?

Можна було б сумніватися, що штучні наномашини могли б навіть наблизитися до здібностей наномашин в клітці, якби була причина думати, що в клітинах є щось надприродне, що змушує їх працювати. Ця ідея називається "віталізм". Біологи відмовилися від неї, тому що вони знайшли хімічні та фізичні пояснення для кожного вже вивченого аспекту живої клітини, включаючи рух, ріст і відтворення. Дійсно, це знання є самою основою біотехнології.

Наномашини, плаваючі в стерильних випробувальних пробірках поза клітинами, змусили виконувати всі основні види дій, які вони виконують усередині живих клітин. Починаючи з хімічних речовин, які можуть бути отримані з диму, біохіміки побудували працюють білкові машини без допомоги клітин. Р.Б. Мерріфілд, наприклад, використовував хімічні прийоми для складання простих амінокислот у рибонуклеазу підшлункової залози бичка, комплекс ферментів, який розбирає на частини молекули РНК. Життя специфічна за структурою, з поведінки, а також по тому, що вона відчуває зсередини з приводу того, що вона жива, але закони природи, які керують механізмами життя, також керують усією іншою всесвіту.

Докази реалізованості ассемблеров та інших наномашин можуть здаватися обгрунтованим, але чому б просто не почекати і не подивитися, чи дійсно вони можуть бути розроблені?

Чисте цікавість здається достатньою причиною, щоб дослідити можливості, відкриті нанотехнологією, але є більш сильні причини. Ці досягнення охоплять світ в межах від десяти до п'ятдесяти років, тобто в межах строків життя наших власних або членів наших сімей. Що більш істотно, укладення наступної глави підказують, що політика "почекаємо-подивимося" була б занадто дорогою: вона б коштувала мільйони життів, і, можливо, життя на Землі.

Чи є доказ реалізованості нанотехнології і ассемблерів достатньо обґрунтованим, щоб бути прийнятим серйозно? Мабуть, це так, оскільки суть докази спирається на два відомих факту науки і конструювання: (1) існуючі молекулярні машини служать цілому ряду простих функцій, (2) частини, службовці цим простим функціям, можуть бути скомбіновані так, щоб будувати складні машини. Оскільки хімічні реакції можуть пов'язувати атоми різним чином і оскільки молекулярні машини можуть направляти хімічні реакції відповідно до програмних інструкціями, асемблери виразно реалізовуються.

Нанокомп'ютер

Асемблери принесуть одне велике досягнення очевидної і фундаментальної важливості: інженери будуть їх використовувати, щоб скоротити розмір і вартість мікросхем комп'ютера і прискорити їх функціонування на багато порядків.

З сьогоднішньої балк-технологією інженери роблять схеми на кремнієвих чіпах, обстрілюючи їх атомами і фотонами, але схеми залишаються плоскими, і неминучі дефекти молекулярного масштабу. З асемблера, проте, інженери будуть будувати схеми в трьох вимірах, з точністю до атома. Точні обмеження електронної технології сьогодні залишаються невизначеними, оскільки квантове поведінку електронів в складних мережах крихітних структур являє собою складні проблеми, деякі з них виникають безпосередньо з принципу невизначеності. Але де б не були обмеження, однак, вони будуть досягнуті за допомогою асемблерів.

Найшвидші комп'ютери будуть використовувати електронні ефекти, але найменші можуть не використовувати. Це може здаватися дивним, проте сутність обчислення не має ніякого відношення до електроніки. Цифровий комп'ютер - збори вимикачів, здатних включати і вимикати один одного. Його перемикачі починають в одному положенні (можливо, представляє собою 2 + 2), далі перемикають один одного в нове положення (що представляє собою 4) і т.д. Такі схеми можуть відображати майже все що завгодно. Інженери будують комп'ютери з крихітних електронних перемикачів, пов'язаних проводами, просто тому, що механічні перемикачі, пов'язані паличками або ниточками, були б сьогодні великими, повільними, ненадійними і дорогими.

Ідея щодо повністю механічного комп'ютера навряд чи нова. В Англії протягом середини 1800-х Чарльз Беббідж винайшов механічний комп'ютер, побудований з мідних механічних частин; його співробітниця серпня Ада винайшла програмування комп'ютера. Нескінченне перепроектування машини Беббіджем, проблеми з правильним виготовленням, протидія критиків, контролюючих бюджет (деякі сумнівалися в самій корисності комп'ютерів!), Об'єдналися, щоб перешкодити завершенню проекту.

У цій же традиції Денні Хілліс і Брайен Сильверман лабораторії Штучного інтелекту Масачусетського Технологічного інституту побудували спеціалізований механічний комп'ютер, що вміє грати в хрестики-нулики. Завдовжки і шириною в кілька метрів, повний обертових валів і рухливих рамок, який представляли стан дошки і стратегію гри, він зараз стоїть у Музеї комп'ютерів в Бостоні. Він виглядає багато в чому подібно великої молекулярної моделі з кульок і паличок, оскільки він побудований з конструктора Тінкертой.

Мідні механізми і конструктор Тінкертой сприяють появі великих, повільних комп'ютерів. Однак з компонентами шириною в декілька атомів, простий механічний комп'ютер помістився б у 1/100 кубічного мікрона, тобто виявився б у багато мільярдів разів більш компактним, ніж сьогоднішня так звана мікроелектроніка. Навіть з мільярдом байт пам'яті наномеханічний комп'ютер міг би поміститися в коробочку шириною один мікрон, тобто розміром з бактерію. І був би він швидким! Хоча механічні сигнали рухаються приблизно в 100 000 разів повільніше, ніж електричні сигнали в сьогоднішніх машинах, їм би було потрібно проходити лише 1/1 000 000 відстані, тому затримка виявилася б менше. Тому простий механічний комп'ютер буде працювати швидше, ніж супершвидкі електронні сьогодні.

Електронні нанокомп'ютер, ймовірно, будуть в тисячі разів швидше, ніж електронні мікрокомп'ютери, можливо, в сотні тисяч разів швидше, якщо схема, запропонована Нобелівським лауреатом, фізиком Річардом Фейнманом, себе виправдає. Збільшена швидкість шляхом зменшення розміру - це стара історія в електроніці.

Glossary

Agitation – хвилювання

Amoebas - амеби

Ancestor - предок

Artificial - штучний

Bead - бусинка

Beam - промінь

Bovine pancreatic ribonuclease – рибонуклеаза підшлункової залози бичка

Brass gears – мідні механічні частини

Bulk – велика сукупність

Casing - обшивка

Cheetah - гепард

Clump - група

Composite - деталь

Computation – обчислювальні технології

Conqueror - завойовник

Cords of struts – шнури розпорки

Corkscrew-shaped – в формф спіралі

Crude - грубий

Diamond fiber – алмазне волокно

Dodecahedral – дванадцятигранний

Dye - краситель

Enormous - огромный

Erector set – набір монтажника

Essential notion – важлива дія

Exquisitely - дивно

Falcon - сокіл

Fiber - волокно

Firm - обгрунтований

Fist - кулак

Flesh - плоть

Flint - кремній

Fluid - рідина

Gang - набір

Gargantuan - гігантський

Gelatin - желатин

Haphazardly – випадковим чином

Harsh – різкий

Hobbyist - любитель

Hollow - западина

Hub - спиця

Indirectly – непрямо

Inevitable - неминучий

Interchangeably - взаємозамінно

Jigsaw puzzle - кросворд

Lever - ричаг

Likelihood - вірогідність

Living cells – живі клітини

Loom – ткацький станок

Marble – мармурова куля

Matter - матерія

Mere - простий

Network - ланцюг

Novel - новий

Noxious byproducts – шкідливі побічні продукти

Obvious - очевидний

Odd - дивний

Ordinarily - зазвичай

Oxidizers – окиснювачі

Pattern - малюнок

Plausible - можливий

Profound - глубокий

Prospect – вид, перспектива

Reliance - використання

Rennin - ренін

Reportedly – по повідомленням

Restriction enzyme – фермент обмеження

Reversible - реверсивний

Reward - виграш

Rigid bodies – тверді частини

Rod - палочка

Rugged - міцний

Scarcely – навряд

Sheer - чистий

Smooth - гладкий

Snap – шматок нитки

Stencil - трафарет

Stiff – жорсткий

Strung – зв'язані

Swift - швидкий

Syringe - шприць

Tissue - тканина

To abandon – відмовлятись

To absorb - абсорбувати

To alter – змінювати

To anchor - прицеплять

To assemble - збирати

To bend - зігнути

To chip - затачивать

Unavoidable - неминучий

Upheavals - зміни

Vats - цистерни

Versatility - універсальність

Vessel - сосуд

Viral - вірусний

Whereas – в той час як

Поиск по сайту: