Нанокомпьютеры

Ассемблеры принесут одно крупное достижение очевидной и фундаментальн
ой важности: инженеры будут их использовать, чтобы сократить размер и ст
оимость микросхем компьютера и ускорить их функционирование на много п
орядков.
С сегодняшней балк-технологией инженеры делают схемы на кремниевых чип
ах, обстреливая их атомами и фотонами, но схемы остаются плоскими и неизб
ежны дефекты молекулярного масштаба. С ассемблерами, однако, инженеры бу
дут строить схемы в трёх измерениях и строить с точностью до атома. Точны
е ограничения электронной технологии сегодня остаются неопределённым
и, поскольку квантовое поведение электронов в сложных сетях крошечных с
труктур представляет собой сложные проблемы, некоторые из них проистек
ают напрямую из принципа неопределённости. Но где бы ни были ограничения
, однако, они будут достигнуты с помощью ассемблеров.
Самые быстрые компьютеры будут использовать электронные эффекты, но са
мые маленькие могут не использовать. Это может казаться странным, однако
сущность вычисления не имеет никакого отношения к электронике. Цифрово
й компьютер Ц собрание выключателей, способных включать и выключать др
уг друга. Его переключатели начинают в одном положении (возможно, предст
авляющем собой 2+2), далее переключают друг друга в новое положение (предст
авляющем собой 4), и т. д. Такие схемы могут отображать почти всё что угодно.
Инженеры строят компьютеры из крошечных электронных переключателей, с
вязанных проводами просто потому что механические переключатели, связ
анные палочками или ниточками были бы сегодня большими, медленными, нена
дёжными и дорогими.
Идея относительно полностью механического компьютера вряд ли нова. В Ан
глии в течение середины 1800-х, Чарльз Баббаг изобрел механический компьют
ер, построенный из медных механических частей; его сотрудница Августа Ад
а, графиня лавеласов, изобрела программирование компьютера. Бесконечно
е перепроектирование машины Баббагом, проблемы с правильным изготовле
нием, противодействие критиков, контролирующих бюджет (некоторые сомне
вались в самой полезности компьютеров!), объединились, чтобы воспрепятст
вовать завершению проекта.
В этой же традиции Дэнни Хиллис и Брайен Силверман лаборатории Искусств
енного интеллекта Массачусетского Технологического института постро
или специализированный механический компьютер, умеющий играть крестик
и-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 подо
бно большой молекулярной модели из шариков и палочек, поскольку он постр
оен из конструктора Тинкертой.
Медные механизмы и конструктор Тинкертой способствуют появлению больш
их, медленных компьютеров. Однако с компонентами шириной в несколько ато
мов, простой механический компьютер поместился бы в 1/100 кубического микро
на, т. е. оказался бы во много миллиардов раз более компактным, чем сегодня
шняя так называемая микроэлектроника. Даже с миллиардом байт памяти нан
омеханический компьютер мог бы поместиться в коробочку шириной один ми
крон, т. е. размером с бактерию. И был бы же он быстрым! Хотя механические си
гналы движутся около 100 000 раз медленнее чем электрические сигналы в сегод
няшних машинах, им бы требовалось проходить лишь 1/1 000 000 расстояния, поэтому
задержка оказалась бы меньше. Поэтому простой механический компьютер б
удет работать быстрее чем супербыстрые электронные сегодня.
Электронные нанокомпьютеры вероятно будут в тысячи раз быстрее чем эле
ктронные микрокомпьютеры, возможно, в сотни тысяч раз быстрее, если схем
а, предложенная Нобелевским лауреатом, физиком Ричардом Фейнманом себя
оправдает. Увеличенная скорость путём уменьшения размера Ц это старая
история в электронике.

Дизассемблеры

Молекулярные компьютеры будут управлять молекулярными ассемблерами, о
беспечивая быстрый поток инструкций, необходимых, чтобы направить разм
ещение крупных совокупностей атомов. Нанокомпьютеры с молекулярными у
стройствами памяти будут также хранить данные, произведенные процессо
м, который является противоположным сборке.
Ассемблеры помогут инженерам синтезировать вещи; их родственники, диза
ссемблеры, помогут ученым, и инженерам анализировать вещи. Что касается
ассемблеров, они опираются на способность ферментов и химических реакц
ий формировать связи, и способность машин управлять процессом. Дизассем
блеры же опираются на способность ферментов и химических реакций разру
шать связи, и машин Ц управлять процессом. Ферменты, кислоты, окислители,
металлы, щелочи, ионы и реагирующие группы атомов, называемых свободными
радикалы Ц все могут разрушать связи и удалять группы атомов. Поскольк
у нет ничего, что было бы абсолютно невосприимчивым к коррозии, по-видимо
му, молекулярные инструменты будут способны что-либо разбирать, по неск
ольким атомам за раз. Что более существенно, наномашина могла бы (в случае
необходимости и подходящего случая) также применять и механические сил
ы, в результате освобождая группы атомов.
Наномашина, способная это делать, записывая, что она удаляет слой за слое
м, Ц это дизассемблер. Ассемблеры, дизассемблеры, и нанокомпьютеры буду
т работать вместе. Например, нанокомпьютерная система будет способна на
править разборку объекта, записать его структуру, и потом управлять сбор
кой идеальной копии. И всё это Ц ещё только некоторые намёки реальной мо
щи нанотехнологии.

Обновлённый мир

Пройдут годы, пока появятся ассемблеры, но их появление кажется почти не
избежным: хотя путь к ассемблерам имеет много шагов, каждый шаг сделает с
ледующий досягаемым, и каждый принесет непосредственный выигрыш. Первы
е шаги под названием "генная инженерия" и «биотехнология» уже предпринят
ы. Кажутся возможными и другие пути к получению ассемблеров. Исключая ра
зрушение мира или мировое господство, гонка технологий будет продолжат
ься вне зависимости, хотим мы этого или нет. И по мере того, как успехи в про
ектировании с помощью ЭВМ ускоряют развитие молекулярных инструментов
, продвижение к ассемблерам будет ускоряться.
Чтобы иметь хоть какую-то надежду понять наше будущее, мы должны понять п
оследствия ассемблеров, дизассемблеров, и нанокомпьютеров. Они обещают
влечь изменения, столь же глубокие, как индустриальная революция, антиби
отики, и ядерные оружие, соединённые в один огромный прорыв. Чтобы понять
будущее таких глубоких изменений, имеет смысл поискать принципы измене
ния, которые пережили величайшие изменения прошлого. Они окажутся полез
ным руководством.

Глава 2. ПРИНЦИПЫ ИЗМЕНЕНИЙ


Вы можете представить себе п
роцесс проектирования как, во-первых, генерирование альтернатив, а зате
м испытание этих альтернатив против целого ряда требований и ограничен
ий.
ГЕРБЕРТ А. САЙМОН

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АССЕМБЛЕРЫ сделают такую революцию, какой не было со времё
н появления рибосом, примитивных ассемблеров в клетке. Получающаяся в ре
зультате нанотехнология может помочь распространению жизни вне Земли
Ц шаг, не имеющий аналогов, начиная с распространения жизни вне морей. Эт
о может помочь машинам обрести разум Ц шаг, не имеющий параллелей, с тех п
ор как разум появился в приматах. И это может позволять нашим умам обновл
ять и переделывать наши тела Ц шаг вообще не имеющий аналогов.
Эти революции принесут опасности и возможности, слишком обширные, чтобы
их могло вместить человеческое воображение. Все же принципы изменения, к
оторые выполнялись для молекул, клеток, животных, разума, и машинам, должн
ы продолжать деятельность даже в век биотехнологии, наномашин и искусст
венного разума. Те же самые принципы, которые приложимы в море, на земле и
в воздухе, должны сохраняться, когда мы будем распространять жизнь Земли
к звездам. Понимание сохраняющихся принципов изменения поможет нам пон
ять потенциал для хорошего и плохого в новых технологиях.

Порядок из хаоса

Порядок может появляться из хаоса без чьих-либо распоряжений: хорошо ор
ганизованные кристаллы конденсировались из бесформенного межзвездно
го газа намного раньше Солнца, Земли, или появления жизни. Из хаоса также п
оявляется кристаллический порядок и при более знакомых обстоятельства
х. Вообразите молекулу, возможно правильную по форме, а, возможно, неравно
мерную и узловатую как корень имбири. Теперь вообразите большое число та
ких молекул, перемещающихся беспорядочно в жидкости, переворачиваясь и
толкаясь как алкоголики в невесомости и темноте. Вообразите испаряющую
ся и охлаждающуюся жидкость, что заставляет молекулы быть ближе друг к д
ругу и замеляя их движения. Будут ли эти беспорядочно перемещающиеся, мо
лекулы странной формы просто собираться в беспорядочных «кучах»? В обще
м случае Ц нет. Обычно они будут устанавливаться в кристаллическую стру
ктуру, каждый аккуратно устраиваясь напротив своих соседей, формируя ст
роки и столбцы, такие же совершенные, как шахматная доска, хотя часто боле
е сложные.
Этот процесс не включает ни волшебство, ни какие-то специальные свойств
а молекул и квантово-механических сил. Это даже не требует специальных с
оответствующих друг другу форм, которые позволяют молекулам белка само
стоятельно собираться в машины. Если положить мраморные шарики одинако
вого размера на поднос и встряхнуть, также выпадают в правильные рисунки
.
Кристаллы растут путём проб и удалением ошибок, путём варьирования и сел
екции. Никакие крошечные руки их не собирают. Кристалл может начинаться
со случая молекул, собирающихся в группу: молекулы блуждают, сталкиваютс
я, и собираются в группы случайным образом, но группа держится вместе луч
ше всего когда она упакована в правильную кристаллическую структуру. Да
лее в первоначальный маленький кристалл ударяются другие молекулы. Нек
оторые тыкаются в неправильные места или с неправильной ориентацией; он
и плохо прилипают и от колебаний вновь отваливаются. Другие по случаю по
падают нужным образом; они лучше прилипают и часто остаются. Слой строит
ся на слое, расширяя кристаллическую структуру. Хотя молекулы сталкиваю
тся случайным образом, они не прилипают случайно. Порядок растёт из хаос
а путём варьирования и селекции.

Эволюционирующие молекулы


В росте кристаллов, каждый слой образует шаблон для следующего. Однородн
ые слои накапливаются и формируют твердый блок.
В клетках нити ДНК или РНК также могут служить в качестве шаблонов при по
мощи ферментов, которые действуют как молекулярные копировальные маши
ны. Но элементы, из которых строятся нити нуклеиновых кислот, могут быть у
строены во многих различных последовательностях, и нить шаблона может о
тделиться от копии. И нить, и её копия могут далее снова быть скопированы.
Биохимик Сол Спиджельман использовал копировальные машины (белки из ви
руса) для экспериментов в испытательной пробирке. Говоря просто, безжизн
енная среда дуплицирует молекулы РНК.
Представьте себе нить РНК, плавающую в испытательной пробирке вместе с к
опировальными машинами и элементами РНК. Нить кувыркается и изгибается,
пока она не наталкивается на копировальную машину в правильном положен
ии, чтобы слипнуться. Элементы толкутся вокруг, пока один нужного вида не
встретит копировальную машину в правильном положении, которая соответ
ствует нити шаблона. Как только соответствующие элементы ухитряются по
пасть в нужное положение, машина захватывает их и привязывает их к расту
щей копии; хотя элементы сталкиваются случайным образом, машина связыва
ет выборочно. В конце концов машина, шаблон и копия разъединяются.
В терминологии зоолога Ричарда Давкинса из Оксфорда, объекты, которые де
лают копии себя, называются репликаторами. В этой окружающей среде молек
улы РНК подходят под определение: единственная молекула скоро превраща
ется в две, потом четыре, восемь, шестнадцать, тридцать две, и так далее, умн
ожаясь экспоненциально. Далее скорость репликации снижается: постоянн
ый запас белковых машин может производить копии только с какой-то скоро
стьюРНК, независимо от того, сколько молекул шаблона соперничают друг с
другом для их услуг. Ещё позже сырья для созданияРНК молекулы становится
недостаточно, и репликация задерживается вплоть до остановки. Быстро ра
стущее число молекул достигает предела росту и останавливает репродуц
ирование.
Копировальные машины, однако, часто копируют неправильно нить РНК, встав
ляя, удаляя, или неправильно сопоставив элемент нити. Получающаяся в рез
ультате нить с мутациями тогда отличается по последовательности элеме
нтов или длине. Такие изменения довольно случайны, и изменения накаплива
ются по мере того как скопированные с ошибкой молекулы снова копируются
с ошибкой. По мере того как молекулы размножаются, они начинают отличать
ся от своих предшественников и друг от друга. Это может выглядеть как рец
епт, приводящий к хаосу.
Биохимики нашли, что различающиеся молекулы РНК копируются с разными ск
оростями, в зависимости от их длин и структуры элементов. Потомки более б
ыстрых репликаторов естественно становятся более распространёнными. Д
ействительно, если один вид копируется только на 10 процентов быстрее чем
его собратья, то после одной сотни поколений, каждый из более быстрого ви
да даст в 1000 раз большее число потомков. Малые различия в экспоненциально
м росте накапливаются экспоненциально.
Когда в испытательной пробирке заканчиваются элементы, экспериментато
р может взять пробу его РНК и «заразить» новую пробирку. Процесс начинае
тся снова и молекулы, которые доминировали в первом раунде соревнования
начинаются с некоторой форой. Появляются маленькие изменения, по прошес
твии времени вырастая в большие. Некоторые молекулы размножаются быстр
ее, и их вид доминирует в смеси. Когда ресурсы исчерпываются, эксперимент
атор может взять пробу РНК и начать снова (и снова, и снова), сохраняя услов
ия стабильными.
Этот эксперимент показывает естественный процесс: независимо от того, с
какой последовательности РНК начинает экспериментатор, кажущийся хаос
случайных ошибок и копирование с систематическими ошибками выдвигает
вперёд один вид молекул РНК (плюс-минус некоторые ошибки копирования). Ег
о типичная версия имеет известную, четкую последовательность 220 элемент
ов. Это Ц лучший РНК репликатор в этой среде, так что он перенаселяет друг
ие и остаётся.
Копирование, растянутое во времени, копирование с ошибками и конкуренци
я всегда дают те же самые результат, независимо от длины или структуры мо
лекулы РНК, с которой начинается процесс. Хотя никто не мог бы предсказат
ь, какая структура выиграет, каждый может видеть, что изменение и конкуре
нция будут иметь тенденцию выдвигать единственного победителя. В такой
простой системе могло бы произойти кое-что ещё. Если эти репликаторы сил
ьно воздействуют друг на друга (возможно, путём выборочных атак или помо
щи друг другу), то результаты могли бы напоминать более сложную экологию.
Но как есть, они просто конкурируют за ресурсы.
Варьирование деталей в этом примере показывает нам кое-что еще: молекул
ы РНК приспосабливаются по-разному к различным окружающим средам. Молек
улярная машина, называемая рибонуклеазой захватывает молекулы РНК, име
ющие определённые последовательности элементов, находящихся на поверх
ности, и режет их пополам. Но молекулы РНК, подобно белкам, сворачиваются в
структуры в зависимости от их последовательности, и путём сворачивания
нужным образом они могут защищать свои уязвимые места. Экспериментатор
ы находят, что молекулы РНК развивают в процессе эволюции способность же
ртвовать быстрым размножением в пользу лучшей защиты, когда вокруг нахо
дится рибонуклеаза. Опять же, конкуренция способствует возникновению л
учшего.
Заметьте, что в это описание вкрались термины из биологии: так как молеку
лы копируются, слово «поколение» выглядит правильным; молекулы «происх
одящие» от общего «предка» Ц «родственники», а слова «рост», "размножен
ие", «мутация» и «конкуренция» также выглядят подходящими. Почему так? По
тому что эти молекулы копируют себя с небольшими изменениями, также как
это делают гены живых организмов.
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