Части, содержащие только несколько атомов будут бугристыми, но инженеры
могут работать с бугристыми частями, если они имеют гладкие подпорки, их
поддерживающие. Достаточно удобно, некоторые связи между атомами делаю
т прекрасные подпорки; часть может быть установлена посредством единст
венной химической связи, которая будет позволять поворачивать её свобо
дно и плавно. Так как подпорка может быть сделана с использованием тольк
о двух атомов (и поскольку для движущихся частей нужно лишь в несколько а
томов), наномашины могут на самом деле иметь механические компоненты раз
мера молекулы.
Как эти усовершенствованные машины будут построены? За эти годы, инженер
ы использовали технологию, чтобы улучшить технологию. Они использовали
металлические инструменты, чтобы оформлять металл в лучшие инструмент
ы, и компьютеры, чтобы проектировать и программировать лучшие компьютер
ы. Они будут аналогично использовать белковые наномашины, чтобы строить
лучшие наномашины. Ферменты указывают путь: они собирают большие молеку
лы, «выхватывая» маленькие молекулы из воды, в которой они находятся, и уд
ержания их вместе так, что образуются связи. Ферменты собирают ДНК, РНК, бе
лки, жиры, гормоны и хлорофилл этим способом Ц на самом деле, практически
весь спектр молекул, обнаруживаемых в живых организмах.
Далее инженеры-биохимики будут строить новые ферменты, чтобы собрать но
вые структуры атомов. Например, они могли бы делать ферменто-подобную ма
шину, которая будет присоединять углеродистые атомы к маленькому пятны
шку, слой на слой. Будучи правильно связаны, атомы будут наращиваться и фо
рмировать прекрасное, гибкое алмазное волокно, более пятидесяти раз бол
ее прочное, чем алюминий того же веса. Аэрокосмические компании будут вы
страиваться в очередь, чтобы покупать такое волокно тоннами, чтобы делат
ь детали с улучшенными характеристиками. (это показывает только одну мал
енькую причину, почему конкуренция в военной сфере будет двигать молеку
лярную технологию вперёд, как она двигала многие сферы в прошлом.)
Но действительно большим прогрессом будет, когда белковые машины будут
способны делать структуры более сложные, чем простые волокна. Эти програ
ммируемые белковые машины будут походить на рибосомы, программируемые
РНК, или старое поколение автоматизированных станков, программируемое
перфорированными лентами. Они откроют новый мир возможностей, позволяя
инженерам избежать ограничения белков для построения прочных компактн
ых машин прямым проектированием.
Проектируемые белки будут расщеплять и соединять молекулы, как это дела
ют ферменты. Существующие белки связывают множество меньших молекул, ис
пользуя их как химические инструменты; заново проектируемые белки буду
т использовать все эти инструменты и более того.
Далее, органические химики показали, что химические реакции могут произ
водить замечательные результаты даже без наномашин, чтобы расставлять
молекулы по нужным местам. Химики не имеют никакого прямого контроля над
кувыркающимися движениями молекул в жидкости, поэтому молекулы свобод
ны реагировать любым образом, которым они могут, в зависимости от того, ка
к они сталкиваются. Однако химики тем не менее добиваются, чтобы реагиру
ющие молекулы образовывали правильные структуры, такие как кубические
или двенадцатигранные молекулы, и образовывать структуры, выглядящие н
евероятно, такие как молекулярные кольца с высоконапряжёнными связями.
Молекулярные машины будут иметь ещё большую неустойчивость в образова
нии связей, потому что они могут использовать подобные молекулярные дви
жения для образования связей, но они могут выполнять эти движения такими
способами, какими не могут химики.
Действительно, поскольку химики ещё не могут направить молекулярные дв
ижения, они редко способны собирать сложные молекулы в соответствии с оп
ределёнными планами. Все самые большие молекулы, которые они могут делат
ь с определенными, сложными структурами Ц это линейные цепи. Химики фор
мируют эти структуры (как в механизмах гена), добавляя молекулы по одной в
последовательности к растущей цепи. Только с одним возможным участком с
вязывания в цепи, они могут быть уверены, что добавили следующую часть в п
равильном месте.
Но если округленная, бугристая молекула имеет, скажем, сотню водородных
атомов на своей поверхности, как химики могут отколоть только один специ
фический атом (5 атомов вверх и 3 атома по диагонали спереди на выпуклости),
чтобы добавить что-либо на его место? Смешивание вместе простых химикал
ий редко сделает эту работу, поскольку маленькие молекулы редко могут вы
брать специфические места, с которыми надо реагировать в больших молеку
лах. Но протеиновые машины будут более избирательными.
Гибкая, программируемая белковая машина схватит большую молекулу (объе
кт работы), в то время как маленькая молекула будет установлена именно на
против правильного места. Подобно ферменту, она тогда она свяжет молекул
ы вместе. Привязывая молекулу за молекулой к собираемому куску, машина б
удет собирать всё большую и большую структуру, в то время как будет сохра
няться полный контроль за тем, как его атомы упорядочены. Это есть ключев
ое умение, которым не обладают химики.
Подобно рибосомам, такой наномашины могут работать под управлением мол
екулярных лент. В отличие от рибосом они будут иметь дело с широким разно
образием маленьких молекул (не только аминокислот) и присоединять их к с
обираемому объекту не только в конце цепи, но и в любом желаемом месте. Бел
ковые машины таким образом объединят расщепляющие и склеивающие спосо
бности ферментов с возможностью программирования рибосом. Но в то время
как рибосомы могут строить только неплотные сладки белка, эти белковые м
ашины будут строить маленькие, твердых объекты из металла, керамики или
алмаза Ц невидимо маленькие, но прочные.
Где наши пальцы из плоти подвержены ушибам или ожогам, мы обращаемся к ст
альным клещам. Где белковые машины, вероятно, могут быть разрушены или ра
спадутся, мы обратимся к наномашинам, сделанным из более жесткого матери
ала.

Универсальные ассемблеры

Это второе поколение наномашин, построенное из чего-то большего чем тол
ько белков, будет делать все, что могут делать белки, но и более того. В част
ности некоторые будут служить как усовершенствованные устройства для
сборки молекулярных структур. Устойчивые к кислоте или вакууму, замораж
иванию или нагреву, в зависимости от цели использования, ферменто-подоб
ные машины второго поколения будут способны использовать в качестве «и
нструментов» почти любую из молекул, используемых химиками в реакциях, н
о они будут с ними обращаться с точностью программируемых машин. Они буд
ут способны связать атомы для получения практически любой устойчивой с
труктуры, добавляя понемногу за раз к поверхности рабочего куска до тех
пор, пока сложная структура не будет завершена. Думайте о наномашинах ка
к об ассемблерах.
Поскольку ассемблеры позволят нам размещать атомы почти любым разумны
м образом (как Ц это обсуждается в Примечаниях), они позволят нам строить
почти всё что угодно, чему законы природы позволяют существовать. В част
ности они позволят нам строить почти всё что угодно, что мы можем разрабо
тать, включая новые ассемблеры. Последствия этого будут глубокими, потом
у что наши грубые инструменты позволяют нам исследовать только малую ча
сть всего спектра возможностей, которые позволяет природа. Ассемблеры о
ткроют мир новых технологий.
Успехи в медицинских, космических, вычислительных, военных технологиях
Ц все они зависят от нашей способности упорядочивать атомы. С ассемблер
ами, мы будем способны повторно переделать наш мир или уничтожить его. Та
к в этом пункте кажется мудрым отступить назад и посмотреть настолько яс
но, насколько это возможно, чтобы мы могли убедиться, что ассемблеры и нан
отехнология не просто футурологический мираж.

Какие будут выводы?

Во всем, что я описал, я в большой мере основывался на доказанных фактах хи
мии и молекулярной биологии. Однако, люди регулярно поднимают некоторые
вопросы, уходящие корнями в физику и биологию. Эти вопросы заслуживают б
олее прямых ответов.
Не сделает ли принцип неопределённости квантовой физики молекулярные
машины неосуществимыми?
Это принципиальное утверждение (среди других), что не может быть определ
ено точное местоположение частицы в течение любого отрезка времени. Это
ограничивает то, что молекулярные машины могут делать, также, как это огр
аничивает то, что может делать что угодно еще. Тем не менее, вычисления пок
азывают что принцип неопределённости накладывает мало существенных ог
раничений на то, насколько хорошо атомы могут помещаться на какое-то мес
то, по крайней мере для тех целей, которые обрисовываются здесь. Принцип н
еопределённости делает местоположение электронов довольно расплывча
тым, и в действительности эта расплывчатость определяет сам размер и стр
уктуру атомов. Атом как целое, однако, имеет сравнительно определённое м
естоположение, установленное своему относительно массивному ядру. Есл
и бы атомы не сохраняли своё положение сравнительно хорошо, молекулы бы
не существовали. Квантовой механики не требуется, чтобы доверять этим за
ключениям, поскольку молекулярные машины в клетке демонстрируют, что мо
лекулярные машины работают.
Не сделают ли тепловые вибрации молекул молекулярные машины неработос
пособными или слишком ненадёжными, чтобы их использовать?
Тепловые колебания причинят большие проблемы чем принцип неуверенност
и, однако здесь снова существующие молекулярные машины непосредственн
о демонстрируют, что молекулярные машины могут работать при обычных тем
пературах. Несмотря на тепловые колебания, механизмы копирования ДНК в н
екоторых клетках делают меньше чем одну ошибку на 100 000 000 000 операций. Чтобы до
стичь такой точности, однако, клетки используют машины (такие как фермен
т ДНК-полимераза I), которая проверяет копию и исправляет ошибки. Для ассе
мблеров вполне может быть необходима аналогичные способности проверки
и исправления ошибок, если они предназначены выдавать надёжные результ
аты.
Не будет ли радиация разрушать молекулярные машины или делать их неприг
одными для использования?
Радиация высокой энергии может нарушать химические связи и разрушать м
олекулярные машины. Живые клетки еще раз показывают, что решения существ
уют: они работают в течение лет, восстанавливая и заменяя поврежденные р
адиацией части. Однако поскольку каждая отдельная машина такая крошечн
ая, она представляет собой маленькую цель для радиации и радиация редко
в неё попадает. Всё же, если система наномашин должна быть надёжна, то она
должна выдерживать определённое количество повреждений, а повреждённы
е части должны регулярно чиниться или заменяться. Этот подход к надёжнос
ти хорошо знаком разработчикам самолётов и космических кораблей.
Эволюция не сумела произвести ассемблеры, не говорит ли это о том, что они
являются либо невозможными, либо бесполезными?
Отвечая на предыдущие вопросы, мы отчасти ссылались на уже работающие мо
лекулярные машины клеток. Они представляют собой простое и мощное доказ
ательство, что законы природы позволяют маленьким группам атомов вести
себя как управляемым машинам, способным строить другие наномашины. Одна
ко вопреки тому, что они в основе напоминают рибосомы, ассемблеры будут о
тличаться от всего, что находится в клетках; хотя они состоят в обычных дв
ижениях молекул и реакциях, то, что они делают, будет иметь новые результа
ты. Например, ни одна клетка не производит алмазного волокна.
Мысль, что новые виды наномашин дадут новые полезные способности, может
казаться потрясающей: за все миллиарды лет развития жизнь в основе всегд
а полагалась только на белковые машины. Но говорит ли это о том, что усовер
шенствования были невозможны? Эволюция идёт небольшими изменениями, и э
волюция ДНК не может легко заменить ДНК. Так как система ДНК-РНК-рибосома
специализирована для построения белков, жизнь не имела никакой реально
й возможности развить альтернативный вариант. Любой производственный
менеджер хорошо может оценить причины этого; жизнь Ц больше чем фабрика
, она не может себе позволить прекратить деятельность, чтобы заменить св
ои системы на новые.
Улучшенные молекулярные машины должны нас удивлять не больше, чем сплав
стали, который в десять раз прочнее кости, или медные провода, передающие
сигналы в миллион раз быстрее нервов. Автомобили обгоняют гепардов, реак
тивные самолеты летают быстрее соколов, и компьютеры уже считают быстре
е самых талантливых из людей. Будущее даст новые примеры улучшений в био
логической эволюции, из которых второе поколение наномашин будет лишь о
дним.
В физических терминах, достаточно ясно, почему усовершенствованные асс
емблеры будут способны делать больше чем существующие белковые машины.
Они будут программироваться подобно рибосомам, но они будут способны ис
пользовать более широкий диапазон инструментов чем все ферменты в клет
ке вместе взятые. Поскольку они будут сделаны из материалов намного боле
е прочных, твёрдых и устойчивых, чем белки, они будут способны развивать б
ольшие 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 изм
ерениях под программным управлением, делая возможным точную сборку сло
жных объектов. Эти преимущества будут давать им возможность собирать на
много более широкий спектр молекулярных структур, чем это делали живые к
летки.
Не имеет ли жизнь в себе нечто особое сверхъестественное, без чего молек
улярные машины не будут работать?
Можно было бы сомневаться, что искусственные наномашины могли бы даже пр
иблизиться к способностям наномашин в клетке, если бы была причина думат
ь, что в клетках есть нечто сверхъестественное, что заставляет их работа
ть. Эта идея называется «витализм». Биологи отказались от неё потому что
они нашли химические и физические объяснения для каждого уже изученног
о аспекта живой клетки, включая движение, рост и воспроизводство. Действ
ительно, это знание является самой основой биотехнологии.
Наномашины, плавающие в стерильных испытательных пробирках вне клеток,
заставили выполнять все основные виды действий, которые они выполняют в
нутри живых клеток. Начиная с химических веществ, которые могут быть пол
учены из дыма, биохимики построили работающие белковые машины без помощ
и клеток. Р.Б. Меррифилд, например, использовал химические приёмы для сбор
ки простых аминокислот в рибонуклеазу поджелудочной железы бычка, комп
лекс ферментов, который разбирает на части молекулы РНК. Жизнь специфичн
а по структуре, по поведению, а также по тому, что она чувствует изнутри по
поводу того, что она жива, но законы природы, которые управляют механизма
ми жизни, также управляют всей остальной вселенной.
Доказательства реализуемости ассемблеров и других наномашин могут каз
аться обоснованным, но почему бы просто не подождать и не посмотреть, дей
ствительно ли они могут быть разработаны?
Чистое любопытство кажется причиной, достаточной, чтобы исследовать во
зможности, открытые нанотехнологией, но есть более сильные причины. Эти
достижения охватят мир в пределах от десяти до пятидесяти лет, то есть в п
ределах сроков жизни наших собственных или членов наших семей. Что более
существенно, заключения следующей главы подсказывают, что политика «по
дождём-посмотрим» была бы слишком дорогой: она бы стоила миллионы жизне
й, и, возможно, конец жизни на Земле.
Является ли доказательство реализуемости нанотехнологии и ассемблеро
в достаточно обоснованными, чтобы быть принятыми серьезно? По-видимому
это так, поскольку суть доказательства опирается на два известных факта
науки и конструирования. Они следующие: (1) что существующие молекулярные
машины служат целому ряду простых функций, и (2) что части, служащие этим пр
остым функциям, могут быть скомбинированы так, чтобы строить сложные маш
ины. Поскольку химические реакции могут связывать атомы различным обра
зом, и поскольку молекулярные машины могут направлять химические реакц
ии в соответствии с программными инструкциями, ассемблеры определённо
реализуемы.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40