ФИЗИКА БУДУЩЕГО Мичио Каку читать онлайн бесплатно стр 5
стр1 стр4 стр 6
Всего несколько лет назад подобный сценарий был бы отвергнут как совершенно абсурдный, но уже сегодня существуют некоторые факты, указывающие на то, что его реализация вполне возможна. Во-первых, немногие гены, что отделяют нас от шимпанзе, сегодня подвергаются тщательному и очень подробному изучению. Один из интереснейших примеров — ген ASPM, отвечающий за размеры мозга. Несколько миллионов лет назад человеческий мозг по непонятным причинам резко увеличился в размерах. Мутация этого гена вызывает микроцефалию — генетическое нарушение, при котором человек рождается с маленьким черепом и мозгом на 70 % меньше среднего — примерно таким, каким обладали наши предки миллионы лет назад. Компьютерный анализ истории этого гена показывает, что за последние 5 или 6 миллионов лет — с момента разделения человека и шимпанзе — он мутировал 15 раз, что совпадает с историей увеличения размеров мозга в этот период. Интересно также, что по сравнению с родственниками среди высших приматов у человека этот ключевой ген менялся быстрее всех. Еще интереснее так называемая область HAR, генома, содержащая всего 118 «букв» генетического алфавита. В 2004 г. ученые обнаружили, что важнейшее различие между человеком и шимпанзе в этом сегменте включает всего 18 букв, или нуклеиновых кислот. Шимпанзе и куры разошлись 300 млн лет назад, но состав оснований в сегменте HAR, у них различается всего на две буквы. Это означает, что на протяжении многих миллионов лет эволюции участок HAR, оставался замечательно стабильным, — но лишь до тех пор, пока непоявился человек. Так что вполне может оказаться, что гены, делающие нас людьми, находятся именно здесь. Но существует один наглядный фактор, который делает предложение Докинза еще более реальным. Уже восстановлен полный геном нашего ближайшего генетического соседа, давно вымершего неандертальца. Возможно, компьютерный анализ этих трех геномов — человека, шимпанзе и неандертальца — позволит при помощи чистой математики реконструировать геном недостающего звена. Стоит ли возвращать неандертальца? Вероятно, современный человек и неандерталец разошлись около 300 000 лет назад. В Европе эти существа вымерли около 30 000 лет назад, и долгое время считалось, что извлечь пригодную к использованию ДНК неандертальца из таких древних останков невозможно. Однако в 2009 г. было объявлено, что команде ученых под руководством Сванте Пяябо (Svante Paabo) из лейпцигского Института эволюционной антропологии общества Макса Планка удалось, анализируя ДНК шести неандертальцев, получить первый набросок полного генома этого вида. Это громадное достижение. Геном неандертальца, как и ожидалось, очень похож на человеческий (в том и другом по 3 млрд пар оснований), но отличается от него в некоторых ключевых моментах. Антрополог Ричард Клейн из Стэнфордского университета, комментируя работу Пяябо и его коллег, сказал, что эта реконструкция, возможно, будет полезна при ответе на давний вопрос о поведенческих особенностях неандертальцев и поможет выяснить наконец, могли ли они говорить. У человека по сравнению с шимпанзе в гене FOXP2 имеется два конкретных изменения, которые, в частности, позволяют нам произносить тысячи различных слов. Тщательный анализ показывает, что у неандертальца в гене FOXP2 присутствуют эти же два генетических изменения. Можно предположить, что неандерталец, как и человек, способен был произносить слова. Поскольку неандертальцы были нашими ближайшими генетическими родственниками, интерес к ним в научной среде очень велик. Некоторые ученые даже говорят о возможности воссоздать когда-нибудь ДНК неандертальца и вживить в человеческую яйцеклетку, которая в один прекрасный день вырастет в живого неандертальца. Если так, то однажды вымерший тысячи лет назад неандерталец вновь пройдет по земле. Джордж Чёрч (George Church) из Медицинской школы Гарварда подсчитал даже, что возвращение неандертальца к жизни стоило бы всего лишь 30 млн долларов, и даже составил план работ по соответствующему проекту. Сначала следовало бы поделить геном человека на отдельные отрезки по 100 000 пар оснований в каждом. Затем каждый из них необходимобыло вживить в бактерию, после чего изменить генетически таким образом, чтобы этот участок соответствовал геному неандертальца. Из измененного отрезка предполагалось собрать фрагмент полной молекулы ДНК неандертальца, — и так необходимое число раз. Полученную неандертальскую клетку следовало «перепрограммировать», т. е. вернуть в зародышевое состояние, а затем подсадить в матку самке шимпанзе. Однако Клейн из Стэнфорда выразил в связи с этим проектом вполне обоснованную тревогу, задав вопрос: «И куда вы его собираетесь девать после этого? В Гарвард или в зоопарк?» Докинз предупреждает, что все эти разговоры о возвращении к жизни давно вымерших видов, таких как неандерталец, «несомненно, породят этические проблемы». Будут ли неандертальцы обладать человеческими правами? Что произойдет, если он или она захочет найти себе пару? Кто будет отвечать, если это существо пострадает или нанесет кому-нибудь вред? Но если существует техническая возможность вернуть к жизни неандертальца, то, может быть, ученые смогут создать зоопарк вымерших животных, таких как мамонты? Верните мамонта! Вообще, эта идея не настолько безумна, как кажется. Ученые уже сумели в значительной степени секвенировать геном вымершего сибирского мамонта. Если прежде удавалось извлекать из замороженных десятки тысяч лет назад в Сибири трупов мамонтов лишь крошечные кусочки ДНК, то Вебб Миллер (Webb Miller) и Стивен Шустер (Stephan С. Schuster) из Университета штата Пенсильвания совершили невозможное: они извлекли из этих замороженных туш 3 млрд пар оснований. До этого рекордный размер ДНК-последовательности, полученной из вымерших видов, составлял лишь 13 млн пар оснований, или менее 1 % полного генома животного. (Прорыв стал возможен благодаря новому секвенсеру, известному как секвенирующее устройство высокой пропускной способности. Этот новый прибор позволяет считывать не по одному гену, а по несколько тысяч генов за раз.) Еще одна хитрость Миллера и Шустера — надо знать, где искать древнюю ДНК. Ученые выяснили, что лучше всего молекулы ДНК сохранились не в теле древнего шерстистого мамонта, а в волосяных луковичках. Не исключено, что теперь идея воскрешения вымерших видов станет биологически возможной. «Год назад я назвал бы это фантастикой», — сказал Шустер. Но теперь, когда геном мамонта известен чуть ли не целиком, ничего фантастического в проекте нет. Шустер даже прикинул, как это можно сделать. Согласно его оценке, всего около 400 000 изменений в ДНК азиатского слона будет достаточно, чтобы произвести на свет животное, обладающее основными чертами шерстистого мамонта. Не исключено, что ученым удастся генетически изменить ДНК слона соответствующим образом, внедрив молекулы ДНК в ядро оплодотворенной слоновьей яйцеклетки и подсадив ее слонихе. Другая группа ученых в настоящий момент работает над секвенированием генома еще одного вымершего животного — австралийского сумчатого волка, близкого родственника тасманийского дьявола, окончательно исчезнувшего в 1936 г. Идут разговоры о секвенировании птицы додо. В английском языке выражение «мертв, как додо» вошло в поговорку, но однажды эта поговорка может оказаться устаревшей. Для этого надо, чтобы ученые сумели извлечь пригодную для использования ДНК из мягких тканей и костей тушек додо, сохранившихся в Оксфорде и других местах. Парк Юрского периода? Все это естественным образом возвращает нас к первоначальному вопросу: сможем ли мы воскресить динозавров? Если ответить коротко — скорее всего нет. Создание парка Юрского периода зависит от того, удастся ли ученым получить рабочую молекулу ДНК формы жизни, вымершей более 65 млн лет назад. Не исключено, что это попросту невозможно. Несмотря на то что внутри ископаемых бедренных костей динозавров были обнаружены мягкие ткани, до сих пор из них не удалось получить даже кусочка ДНК, только белки. Эти белки химически доказали близкое родство вида Tyrannosaurus Rex с лягушкой и курицей, но до восстановления генома динозавра чрезвычайно далеко. Докинз, однако, не исключает возможности математической реконструкции генерализованного генома «динозавра вообще» на основе сравнительного анализа геномов разных видов птиц и пресмыкающихся. Он отмечает, что можно побудить куриный клюв вырастить зачатки зубов (так же как можно заставить змею вырастить ноги). Получается, что древние черты, давно сгинувшие в песках времени, продолжают существовать в неактивном виде внутри современных геномов. Дело в том, что биологи в последнее время поняли: гены можно «включать» и, соответственно, «выключать». Это означает, что гены, отвечающие за древние черты, возможно, все еще существуют; они просто спят. Может быть, включив эти спящие гены, можно вернуть и соответствующие древние свойства. К примеру, лапа курицы в древности имела перепонки. Ген, отвечающий за них, никуда не делся, он просто выключился. Вновь задействовав этот ген, в принципе можно получить курицу с перепончатыми лапами. Точно так же люди когда-то были покрыты шерстью. Однако, начав потеть (а это весьма эффективный способ терморегуляции), мы потеряли шерстяной покров. (У собак нет потовых желез, поэтому им приходится для охлаждения высовывать язык и часто дышать.) Очевидно, ген шерсти у человека по-прежнему существует, но выключен. Включив этот ген, можно получить человека, полностью заросшего шерстью. (Существуют предположения о том, что именно этим объясняются легенды об оборотнях.) Если предположить, что некоторые гены динозавров уже миллионы лет существуют в выключенном состоянии в геноме птиц, то когда-нибудь ученые, возможно, сумеют включить эти спящие гены и получить птиц с некоторыми характеристиками динозавров. Так что предложение Докинза хотя и умозрительно, но не фантастично. Создание новых форм жизни В связи со всем вышесказанным возникает окончательный вопрос: сможем ли мы создавать жизнь по собственному желанию? Можно ли создать не вымершее животное, а такое животное, каких никогда на Земле не было? К примеру, можно ли создать свинью с крыльями или одно из животных, описанных в древней мифологии? Даже в конце века наука еще не сможет создавать зверей по заказу, однако модифицировать животное царство уже научится. На данный момент ограничивающим фактором является перестановка генов. Исследователи пока научились надежно модифицировать только единичные гены. К примеру, можно отыскать ген, вызывающий свечение в темноте каких-то животных. Этот ген можно выделить, а затем внедрить в генотип другого животного, так что оно тоже начнет светиться в темноте. Более того, в настоящее время ученые исследуют возможность модифицировать домашних животных при помощи добавления единичных генов. Но создание совершенно нового животного, такого как химера греческой мифологии (которая представляет собой комбинацию из трех различных животных), требует перестановки тысяч генов. Чтобы создать свинью с крыльями, вам придется вживить ей сотни генов, отвечающих за крыло, и при этом убедиться, что все мышцы и сосуды окажутся на месте. Это намного превосходит любые возможности сегодняшнего дня. Однако уже сегодня есть кое-какие наработки, которые помогут ученым приблизить эту футуристическую возможность. Биологи с огромным удивлением узнали, что гены, описывающие общий план тела (от головы до кончиков задних лап), располагаются в хромосоме в том же порядке, в каком соответствующие органы располагаются в теле. Эти так называемые НОХ-гены определяют общую структуру тела. Природа, судя по всему, идет по пути наименьшего сопротивления и старается в максимальной степени использовать прежние «наработки». Это, в свою очередь, очень облегчает для ученых восстановление эволюционной истории этих генов. Более того, существуют регуляторные гены, которые, судя по всему, влияют на свойства и работу многих других генов. Управляя несколькими такими генами, можно манипулировать свойствами десятков других генов. Вглядываясь в историю эволюции, мы видим, что природа создавала общий план тела примерно так же, как архитектор создает чертежи здания. Геометрически части здания и детали располагаются на чертеже в том же порядке, что и реальное их воплощение на местности. Кроме того, чертежи обычно строятся по модульному принципу: общий вид объединяет сразу несколько более крупных и подробных чертежей. Воспользовавшись модульностью генома, человек способен научиться создавать совершенно новые гибриды животных. Мало того, может идти речь и о применении генной инженерии к человеку, и об использовании биотехнологий для возрождения известных исторических личностей. Ланца считает, что до тех пор, пока из тела давно умершего человека можно извлечь неразрушенную клетку, сохраняется и возможность вернуть этого человека к жизни. В Вестминстерском аббатстве у нас тщательно сохраняются тела давно умерших королей и королев, а также поэтов, религиозных деятелей, политиков и даже ученых, таких как Исаак Ньютон. Однажды, доверительно поведал мне Ланца, нам, может быть, удастся найти в их телах нетронутую ДНК и вернуть их всех к жизни. В фильме «Мальчики из Бразилии» сюжет развивается вокруг клонирования Гитлера. Не стоит думать, однако, что можно вернуть к жизни гений или личность любой из этих исторических фигур. Как заметил один биолог, если вы клонируете Гитлера, то скорее всего получите художника средней руки (кем, собственно, и был Гитлер, прежде чем возглавил нацистское движение). Изгоним все болезни? Пророческий фильм «Облик грядущего» по сценарию Герберта Уэллса предсказывал печальное будущее цивилизации, где Вторая мировая война породила нескончаемую цепочку страданий и бед. Со временем все достижения человеческой цивилизации гибнут, а власть над сломленным обнищавшим народом захватывают шайки под предводительством воинственных главарей. Но затем появляется группа предусмотрительных ученых, вооруженных мощным сверхоружием, которая начинает постепенно восстанавливать порядок. В конце концов цивилизация поднимается из руин. В одной из сцен девочке будущего, изучающей жестокую историю XX в., рассказывают о так называемой простуде. Что такое простуда, спрашивает она. Ей говорят, что простуда — это такая штука, которую давно вылечили. А может быть, и нет. Вылечить все болезни испокон веков было золотой мечтой человечества. Но даже к 2100 г. ученые не смогут этого сделать, поскольку возбудители болезней мутируют быстрее, чем мы учимся с ними бороться, к тому же их слишком много. Мы иногда забываем, что живем в океане бактерий и вирусов, которые существовали за миллиарды лет до появления на Земле человека и будут существовать миллиарды лет после того, как исчезнет вид Homo sapiens. Многие болезни человек получил от животных. Это часть платы за одомашнивание животных, начавшееся примерно 10 000 лет назад. Множество болезней, распространяемых животными, вероятно, переживет род человеческий. В обычных условиях от животных заражается всего несколько человек. Но с возникновением крупных городов заразные болезни такого рода начинают стремительно распространяться среди людей. Когда число заболевших достигает критической массы, возникают эпидемии. К примеру, изучая генетическую последовательность вируса гриппа, ученые, к немалому удивлению, выяснили, что человек получил его от птиц. Многие птицы могут быть носителями вируса гриппа без всякого вреда для себя и окружающих. Но затем вмешиваются свиньи. Они съедают птичий помет и служат своеобразным генетическим котлом, в котором все перемешивается. Кроме того, земледельцы часто живут рядом и с теми, и с другими. Некоторые считают, что именно поэтому вирус гриппа часто приходит из Азии, где крестьяне занимаются разными видами деятельности одновременно и потому живут в тесном соседстве одновременно с утками и со свиньями. Недавняя эпидемия гриппа HiNi — всего лишь последняя волна мутаций птичьего и свиного гриппа. Одна из проблем человека состоит в том, что он постоянно что-то вокруг себя меняет: расселяется в новые места, вырубает леса, строит громадные пригороды и заводы — и сталкивается при этом с древними болезнями, распространенными среди животных. Человеческое население продолжает расти; это значит, что нам следует ждать из леса новых сюрпризов. К примеру, есть серьезные генетические данные в пользу того, что вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) начинался как вирус иммунодефицита обезьян (ВИО), который первоначально заражал африканских обезьян и лишь потом перепрыгнул на человека. Аналогично хантавирус поражает людей на юго-западе США, когда они вторгаются на территории степных грызунов. Болезнь Лайма, которую распространяют в основном клещи, вторглась в пригороды на северо-востоке страны, потому что люди теперь строят дома вплотную к лесу, где обитают клещи. Вирус Эбола, вероятно, поражал племена людей еще в древности, но только с появлением самолетов он распространился достаточно широко и попал в заголовки газет. Даже болезнь легионеров, вероятно, существует давно и всегда распространялась рядом с застойными водами, но именно системы кондиционирования воздуха стали идеальным местом для ее распространения и обеспечили этой болезни известность. Все это означает, что в будущем нас ждет множество новых сюрпризов и в заголовки газет будут попадать названия новых экзотических болезней. К несчастью, лекарства от этих болезней часто запаздывают. К примеру, у нас нет лекарства даже от обычной простуды. И это при том, что в любой аптеке можно увидеть целую витрину лекарств от простуды. Выбор богатейший, но все это симптоматические средства, они не убивают вирус, а просто облегчают течение болезни. Проблема в том, что у риновируса, вызывающего обычную простуду, не меньше 300 разновидностей, и создавать вакцину против каждой из них попросту слишком дорого. Ситуация с ВИЧ намного хуже, поскольку у этого вируса могут быть тысячи различных штаммов. Более того, ВИЧ мутирует так быстро, что, даже создав вакцину против одной из его разновидностей, вы ничего не добьетесь: вирус успеет вновь измениться. Разработка вакцины против ВИЧ напоминает стрельбу по движущейся мишени. Так что в будущем, хотя человек научится исцелять многие болезни, всегда будут и такие заболевания, которые не поддаются самым современным и продвинутым методам лечения. Дивный новый мир К 2100 г., когда человек получит власть над собственной генетической судьбой, ему придется сравнить свою жизнь с той, что была описана в романе Олдоса Хаксли «О дивный новый мир», действие которого происходит в 2540 г. После публикации в 1932 г. книга вызвала у читателей шок и растерянность. Тем не менее сегодня, когда с момента публикации прошло больше семидесяти пяти лет, многие предсказания писателя уже сбылись. Написав о доступности наркотиков, о детях из пробирки и о том, что секс как наслаждение будет отделен от продолжения рода, Хаксли шокировал британское общество; однако сегодня мы живем в мире, где оплодотворение в пробирке и противозачаточные таблетки воспринимаются как нечто само собой разумеющееся. (Единственное сделанное им серьезное предсказание, которое пока не сбылось, — это клонирование человека.) Он изобразил иерархическое общество, где врачи намеренно клонируют человеческие эмбрионы с поврежденным мозгом, которые затем вырастают и становятся слугами правящей элиты. В зависимости от уровня мозговых нарушений дети из пробирки распределяются по категориям от альфы — идеальных особей, которым предначертано править, до эпсилона — практически это умственно отсталыерабы. У Хаксли технология, вместо того чтобы избавить человечество от нищеты, невежества и болезней, стала кошмаром, насаждающим искусственную и порочную стабильность за счет порабощения всего народа. Во многих отношениях этот роман-антиутопия удивительно точен, но Хаксли не мог предвидеть генной инженерии. Если бы писателю было известно о подобных технологиях,его, наверное, встревожила бы и другая проблема: не разделится ли род человеческий на отдельные несмешиваемые группы, если подверженные влиянию родители и непорядочные правительства начнут вмешиваться в гены наших детей? Если сейчас родители одевают детей в нелепые наряды и выставляют на всевозможные глупые конкурсы, то гдегарантия, что они не захотят изменить гены ребенка по собственной прихоти? Родителям от природы присуще (т. е. закреплено в результате эволюции) стремление обеспечить максимальные преимущества своим чадам — так почему не изменить им гены? В качестве простейшего примера непредсказуемых последствий рассмотрим обычное ультразвуковое исследование. Врачи всего мира используют ультразвуковое исследование при беременности для упрощения диагностики, но именно эта невинная медицинская технология стала причиной массовой эпидемии абортов зародышей женского пола,особенно в сельских местностях Китая и Индии. Одно из статистических исследований в Бомбее показало, что из 8000 зародышей, от которых избавились родители, 7997 были женского пола. В Южной Корее 65 % третьих детей в семьях мальчики. Поколение детей, появившихся на свет в период этой эпидемии, скоро войдет в брачный возраст, и миллионы юношей обнаружат, что девушек вокруг на всех не хватает. Это, в свою очередь, может вызвать громадный социальный дисбаланс. Крестьяне, которые хотели иметь толькосыновей, способных продолжить род и передать имя, обнаружат, что внуков им взять неоткуда. А в США все шире применяется не по назначению человеческий гормон роста (ГРЧ), в котором многие видят средство от старения. Первоначально ГРЧ предназначался для коррекции гормональных нарушений у детей, связанных с отставанием в росте. Вместо этого на базе сомнительных данных о старении возникла целая подпольная индустрия, которая обеспечивает желающих этим препаратом; Интернет позаботился о том, чтобы огромное количество людей стало подопытными свинками для испытания псевдонаучных методик. Мы видим, что люди склонны при малейшей возможности использовать технологии не по назначению и создавать самим себе громадные проблемы. Что будет, если генная инженерия станет общедоступной? В худшем сценарии развития событий мы можем получить кошмарный мир, описанный Гербертом Уэллсом в классическом романе «Машина времени», где род человеческий в 802 701 г. от Рождества Христова разделен на два отдельных вида. Уэллс писал: «Понемногу истина открылась передо мной. Я понял, что человек разделился на два различных вида. Грациозные дети Верхнего Мира не были единственными нашими потомками: это беловатое отвратительное ночное существо, которое промелькнуло передо мной, также было наследником минувших веков». Чтобы понять, насколько далеко могут зайти различия между людьми, просто посмотрите на свою собаку. Сегодня существуют тысячи пород собак, но все они происходят отвида Canis lupus — серого волка, который был одомашнен около 10 000 лет назад, в конце ледникового периода. Благодаря искусственному отбору, проводимому людьми, собаки сегодня бывают всевозможных форм и размеров. Искусственный отбор радикально изменил форму тела, темперамент, окраска и способности разных пород собак. Собаки стареют в семь раз быстрее, чем люди, так что можно сказать: с момента расхождения с волком миновало приблизительно 1000 поколений. Если применить те же рассуждения к человеку, получим, что целенаправленный искусственный отбор может превратить человеческую расу в тысячи разных «пород» всего за 70 000 лет, хотя при этом все они будут принадлежать к одному и тому же виду. Генная инженерия, скорее всего, способна многократно ускорить этот процесс и уложить его в срок жизни одного поколения. К счастью, есть основания считать, что расщепления человеческой расы на отдельные виды не произойдет, по крайней мере в этом столетии. Известно, что вид расщепляется в процессе эволюции, если географически он оказывается разделен на две популяции, не связанные между собой. Так произошло, к примеру, в Австралии, где физическая изоляция местных видов от всей остальной земной фауны привела к возникновению совершенно уникальных животных, таких как кенгуру и другие сумчатые. Человеческие популяции Земли, в противоположность животным, весьма мобильны, не имеют эволюционных узких мест и довольно сильно перемешаны. Грегори Сток из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе сказал: «Традиционная Дарвинова эволюция в настоящее время практически не действует на человека и вряд либудет действовать в обозримом будущем. Человеческая популяция слишком велика и перемешана, а факторы эволюционного давления слишком локальны и преходящи». Есть еще и ограничения со стороны принципа пещерного человека. Как мы уже говорили, человек часто отвергает технологические новинки (к примеру, безбумажный офис), когда они противоречат его природе, — а природа человека за последние 100 000 лет почти не изменилась. Может быть, люди не захотят заводить особых, генетически измененных детей, которые будут выглядеть как отклонение от нормы и вызывать насмешки со стороны сверстников. Это, надо заметить, снизит их шансы на успех в обществе. Одно дело — наряжать своих детей в нелепые одежды, и совсем другое — навсегда изменить их наследственность. (На свободном рынке, вероятно, найдется место и для необычных генов, но место это будет небольшим, ибо предложение определяется потребительским спросом.) Более чем вероятно, что к концу века супружеским парам будет предлагаться на выбор целая библиотека генов, предназначенных в большинстве своем для исключения генетических заболеваний; будут там и гены для кое-каких генетических улучшений. Однако желающих финансировать исследования необычных генов будет немного, потому что и спрос на них будет невелик. Настоящая опасность в этом смысле исходит не от потребительских запросов, а от диктаторских правительств, которые могут захотеть использовать генную инженерию в собственных целях, к примеру для выращивания сильных и послушных солдат. Еще одна проблема возникнет в отдаленном будущем, когда у Земли появятся колонии на других планетах, где сила тяжести и климатические условия будут сильно отличаться от земных. Тогда — возможно, в следующем веке — появится смысл подумать о создании новой породы людей, способных адаптироваться к различным параметрам гравитации и атмосферы. Возможно, эти новые люди смогут потреблять иное количество кислорода, приспособиться к иной продолжительности суток, будут отличаться от нас по массе и обладать иным обменом веществ. Однако космические путешествия надолго останутся дорогим удовольствием. К концу этого века мы — в лучшем случае — получим небольшую базу на Марсе, но подавляющее большинство людей будут по-прежнему жить на родной планете. В ближайшие десятилетия и даже, вероятно, столетия космические путешествия останутся удовольствием для профессионалов, для богачей и, возможно, для горстки безрассудных колонистов. Так что расщепление человечества на несколько космических видов в родной Солнечной системе и за ее пределами произойдет не в этом столетии, а может быть, и не в следующем. В обозримом будущем, если не произойдет каких-то эпохальных прорывов в космических технологиях, мы в основном останемся прикованными к Земле. Наконец, существует еще одна угроза, с которой человечество может столкнуться еще до 2100 г.: это опасность того, что технические достижения могут быть намеренно обращены против нас, в форме биологической войны. Микробная война Биологическая война стара как мир, по крайней мере, как Библия. Древние воины швыряли тела умерших от заразной болезни через стены осажденных городов или отравляли колодцы телами больных животных. Еще один известный способ борьбы с противником — раздать среди его людей зараженную оспой одежду и одеяла. Но современные технологии позволяют генетически сконструировать микробы, которые способны будут стереть с лица земли миллионы людей. В 1972 г. США и Советский Союз подписали историческое соглашение, запрещающее использовать биологическое оружие в наступательных целях. Однако на сегодняшний день биоинженерные технологии получили такое развитие, что это соглашение практически потеряло смысл. Во-первых, невозможно отличить наступательные технологии от оборонительных, когда речь идет об исследовании ДНК. Методы манипулирования генами можно использовать в любых целях. Во-вторых, генная инженерия позволяет модифицировать микробы и превращать их в настоящее оружие, усиливая смертельный эффект или заразность. Когда-то считалось, что только США и Россия владеют последними пробирками с возбудителем оспы — величайшим убийцей в истории человечества. В 1992 г. один советский перебежчик заявил, чторусские разработали на основе оспы боевой штамм и даже произвели его до 20 тонн. С развалом Советского Союза возникла реальная угроза того, что когда-нибудь террористы смогут за деньги получить доступ к этому смертельному оружию. В 2005 г. биологам удалось реконструировать вирус испанки, который в 1918 г. погубил больше людей, чем Первая мировая война. Что интересно, для этого ученые исследовали тело женщины, умершей тогда и похороненной на Аляске, в вечной мерзлоте, и образцы, взятые у больных солдат американской армии во время эпидемии. Исследователи опубликовали полный геном вируса испанки в Интернете, сделав его известным всему миру. Многие ученые сомневаются в разумности такого решения, ведь может случиться так, что какой-нибудь студент, имеющий доступ к университетской лаборатории, от нечего делать возродит одного из величайших убийц в истории человечества. На короткое время геном вируса испанки стал настоящим «золотым дном» для ученых, которые смогли наконец проанализировать его гены и разрешить давнюю загадку: как могла крохотная мутация вируса истребить такое количество людей? Вскоре ответ был найден. Вирус испанки, в отличие от других разновидностей, вызывает излишне резкую реакцию иммунной системы, которая начинает выделять большое количество жидкости. Именно она в конце концов и убивает пациента — человек буквально тонет в собственных выделениях. Как только это выяснилось, появилась возможность сравнить гены, вызывающие этот смертельный эффект, с генами вируса HiNi и других разновидностей вируса гриппа. К счастью, ни в одном из них смертельный ген не обнаружен. Более того, теперь можно определить, как близко подошел тот или иной вирус к обретению такого опасного свойства; выяснилось, что HiNi все еще далек от роковой грани. Но, если говорить о далекой перспективе, за все придется платить. С каждым годом манипулировать генами в живом организме становится все проще и проще. Цены на оборудование падают, а информация легко доступна в Интернете. Некоторые ученые считают, что в ближайшие несколько десятилетий будет создана машина, которая позволит создавать любые гены, просто набирая на клавиатуре последовательность пар оснований. Если вы наберете A-T-C-G и нажмете ввод, машина автоматически вырежет из молекулы ДНК названные основания и составит из них ген. Если так, то даже школьники когда-нибудь смогут произвольно манипулировать формами жизни. В одном из кошмарных сценариев развития событий присутствует вирус СПИДа, получивший возможность передаваться воздушно-капельным путем. К примеру, в геноме вируса простуды присутствуют гены, позволяющие им существовать в микроскопических капельках аэрозоля, поэтому малейший чих больного распространяет заразу. Напротив, вирус СПИДа в настоящее время очень неустойчив по отношению к факторам окружающей среды. Но если гены вируса простуды внедрить в вирус СПИДа, то не исключено, что этот вирус тоже обретет способность существовать вне человеческого тела, хотя бы недолго. Если вирус СПИДа начнет передаваться, как обычная простуда, зараженной окажется значительная часть населения Земли. Известно также, что вирусы и бактерии иногда обмениваются генами, так что существует вероятность того, что передача генов от вируса простуды вирусу СПИДа произойдет естественным путем. Правда, вероятность такой случайной передачи очень мала. Не исключено, что в будущем какая-нибудь группа террористов или какое-нибудь безответственное государство захочет превратить СПИД в оружие. Единственное, что может помешать им пустить такое оружие в ход, — это понимание того, что стоит выпустить вирус в окружающий мир, и они сами тоже станут его жертвами. После 11 сентября 2001 г. подобная угроза даже была отчасти реализована. Неизвестное лицо разослало по почте известным политикам США пакеты с белым порошком, содержащим споры сибирской язвы. Тщательное микроскопическое исследование белого порошка показало, что споры сибирской язвы были модифицированы в направлении максимальной смертности и разрушительности. Страну внезапно охватил страх: что, если какая-нибудь террористическая группа получила доступ к продвинутому биологическому оружию? Хотя споры сибирской язвы можно обнаружить в почве и практически всюду в природе, только человек с достаточно высокой подготовкой и маниакальными намерениями мог провести всю операцию: очистить и модифицировать сибирскую язву, а затем и реализовать этот безумный план. Несмотря на самые интенсивные поиски, злоумышленник так и не был найден (хотя известно, что главный подозреваемый недавно покончил с собой). Из этого случая ясно, что даже одиночка с достаточной биологической подготовкой может запугать целую страну. Надо сказать, что главным сдерживающим фактором в биологической войне выступает примитивный инстинкт самосохранения. Во время Первой мировой войны отравляющие газы реально применялись на поле боя, и стало ясно, что эффективность их применения невелика. Атмосферные условия (сила и направление ветра) нередко меняются самым непредсказуемым образом, так что газ вместо позиций противника вполне может накрыть ваши собственные позиции. Вообще, военный эффект отравляющих веществ заключается в основном в запугивании противника, а не в нанесении реального ущерба. Ни одно решительное сражение не было выиграно с применением ядовитого газа. И даже в разгар холодной войны обе стороны понимали, что отравляющие вещества и биологическое оружие могут произвести на поле боя непредсказуемый эффект, а война с их применением — легко перерасти в ядерную. В данной главе речь шла о манипуляции генами, белками и молекулами. В связи с этим возникает следующий логичный вопрос: насколько реально манипулировать отдельными атомами? 4. Нанотехнологии Все из ничего? Принципы физики, насколько я их понимаю, ничего не говорят о невозможности переставлять в объектах атомы буквально по одному.Ричард Фейнман, нобелевский лауреат Нанотехнология дала нам инструменты, при помощи которых можно задействовать в игре самые мелкие кубики природы — атомы и молекулы. Все состоит из них, и возможность создавать новые вещи ничем, судя по всему, не ограничена.Хорст Штормер, нобелевский лауреат Значение бесконечно малого бесконечно велико.Луи Пастер Владение орудиями труда — вот то высшее достижение, что отличает человека от животных. Согласно классической мифологии, процесс овладения ими начался, когда Прометей, сжалившись над несчастьями людей, украл из топки Вулкана драгоценный огонь и подарил его им. Но этот поступок разгневал богов, и Зевс, чтобы наказать людей, пустился на хитрость. Он попросил Вулкана сковать из металла шкатулку и красивую женщину. Вулкан создал статую, получившую имя Пандора, а затем волшебным образом оживил ее и наказал ей никогда не открывать шкатулку. Конечно, однажды Пандора не выдержала и из любопытства открыла шкатулку, выпустив оттуда в мир все ветры хаоса, все несчастья и страдания. В шкатулке осталась лишь надежда. Таким образом, из божественной топки Вулкана вышли как мечты, так и страдания рода человеческого. Сегодня мы разрабатываем принципиально новые машины, «скованные» из отдельных атомов. Эти машины должны стать нашими «первичными инструментами». Но что они принесут человечеству: пламя познания или ветры хаоса? На протяжении всей истории человечества нашу судьбу определяло владение инструментами. Когда много тысяч лет назад были изобретены лук и стрелы, это означало, чточеловек научился посылать метательное оружие на гораздо большее расстояние, чем это можно сделать руками, что увеличило эффективность охоты и расширило доступные человеку источники пищи. Когда около 7000 лет назад человек научился обрабатывать металл, это означало, что со временем он сможет заменить землянки и хижины великолепными прочными домами, которые вознесутся над землей. Вскоре на месте лесов и пустынь начали расти великие империи, построенные металлическими инструментами. В настоящий момент человечество стоит на пороге овладения совершенно новым типом орудий труда, намного более мощным, чем все, чем мы владели до сих пор. На этот раз мы обретем власть над самими атомами, из которых состоит все вокруг. Возможно, еще в этом столетии мы получим самое важное орудие, какое только можно вообразить. Речь идет о нанотехнологиях, которые позволят нам манипулировать отдельными атомами. Это событие может стать началом второй промышленной революции, поскольку молекулярное производство создаст материалы, о которых сегодня мы можем только мечтать, — сверхпрочные, сверхлегкие, с поразительными электрическими и магнитными свойствами. Нобелевский лауреат Ричард Смолли (Richard Smalley) утверждает: «Величайшая мечта нанотехнологии — научиться строить из атомов, как из кирпичиков». Филип Кукес (Philip Kuekes) из компании Hewlett-Packard говорит: «Вообще, цель не в том, чтобы просто сделать компьютер размером с пылинку. Идея в том, чтобы научиться делать простые компьютеры размером с бактерию. Тогда можно будет упаковать нечто столь же мощное, как ваш настольный компьютер, до размеров пылинки». И это не просто надежды мечтателей с горящими глазами. Правительство США воспринимает все это очень серьезно. В 2009 г., учитывая громадный потенциал нанотехнологий в медицине, промышленности, аэронавтике и коммерческом применении, в рамках Национальной инициативы в области нанотехнологий на исследования было выделено 1, 5 млрд долларов. В докладе по нанотехнологиям правительственного Национального научного фонда говорится: «Нанотехнологии могут в перспективе сделать человека умнее, обеспечить устойчивое улучшение материалов, воды, энергии и пищи, защитить от неизвестных бактерий и вирусов…» В конце концов может оказаться, что от нанотехнологий зависит состояние мировой экономики и судьба целых стран. Около 2020 г. или вскоре после него закон Мура начнетдавать сбои, а возможно, и совсем перестанет действовать. Развитие компьютерной отрасли остановится. Мировой экономике будет грозить хаос, если физики не найдут подходящей замены для кремниевых транзисторов в чипах наших компьютеров. Решение этой проблемы, вероятно, будет найдено в области нанотехнологий. Не исключено также, что при помощи нанотехнологий удастся, возможно еще до конца этого века, создать машину, которой прежде могли владеть только боги, — машину, способную создавать что угодно почти из ничего. Квантовый мир Первым внимание научного сообщества к этой новой области физики привлек нобелевский лауреат Ричард Фейнман, задавший обманчиво простой вопрос: «Насколько маленькой можно сделать машину?» Вопрос этот не был чисто академическим. Компьютеры постепенно становились все меньше и меньше, меняя лицо промышленности, и делалось все более очевидным, что ответ на этот вопрос может оказать громадное влияние на общество и экономику. В пророческой лекции, прочитанной в 1959 г. в Американском физическом обществе и озаглавленной «Там, внизу, полно места», Фейнман сказал: «Интересно, что физик в принципе может (как мне кажется) синтезировать любое химическое вещество по написанной химиком формуле. Пишите заказ, и физик все сделает. Каким образом? Поставит атомы на те места, которые укажет химик, и таким образом построит вещество». Фейнман сделал вывод, что возможны машины, состоящие из отдельных атомов, но новые законы физики делают их создание трудным, хотя и не невозможным, делом. Так что в конечном итоге может оказаться, что судьбы мировой экономики и множества стран зависят от интуитивно непонятных и даже нелепых на взгляд непосвященного принципов квантовой теории. В обычной жизни нам представляется, что законы физики при переходе к более мелкому масштабу не меняются. Из фильмов типа «Дорогая, я уменьшил детей» и «Невероятно уменьшающийся человек» зритель получает ошибочное впечатление о том, что для миниатюрных человечков законы природы выглядели бы точно так же, как для нас. К примеру, в одной из сцен диснеевского фильма уменьшившиеся герои едут на муравье во время грозы. Капли падают на землю и образуют крошечные лужицы, в точности как в нашем мире. На самом же деле капли будут крупнее муравьев, так что муравей, столкнувшись с упавшей каплей, увидит большую водяную полусферу. Водяная полусфера не растекается, потому что сила поверхностного натяжения удерживает ее, как накинутая сверху сеть. В нашем мире поверхностное натяжение воды невелико и не играет существенной роли; мы его просто не замечаем. Но в масштабе муравья поверхностное натяжение приобретает громадное значение. (Более того, если вы попытаетесь пропорционально увеличить муравья, так чтобы он стал размером с дом, у вас возникнет серьезная проблема: ноги такого муравья-гиганта не выдержат и сломаются. Дело в том, что при увеличении муравья его вес будет расти намного быстрее, чем сила его ног. Если вы сделаете муравья в десять раз длиннее, его объем, а значит, и масса вырастут в 10х10х10=1000 раз. Но сила мускулов пропорциональна их толщине, т. е. площади сечения, и увеличится всего лишь в 10х10=100 раз. Следовательно, гигантский муравей станет в 10 раз слабее, в относительных единицах, своего реального прототипа. Это означает также, что Кинг-Конг, вместо того чтобы терроризировать Нью-Йорк, просто рассыпался бы, попытавшись влезть на небоскреб.) Фейнман отметил, что на атомном уровне доминируют другие силы, к примеру водородные связи и силы Ван-дер-Ваальса, порождаемые электрическим взаимодействием между атомами и молекулами. Многие физические свойства веществ определяются именно этими силами. (Для наглядной демонстрации этого рассмотрим простой вопрос: почему на дорогах северо-востока США[12]так много выбоин и ухабов? Каждую зиму вода проникает в крохотные трещинки в асфальте; при замерзании вода расширяется, асфальт начинает крошиться и образуется выбоина. Но сама мысль о том, что вода при замерзании расширяется, противоречит житейскому здравому смыслу. А вода действительно расширяется, и причиной тому — водородные связи. Молекула воды по форме напоминает букву V, причем в основании располагается атом кислорода. Молекула воды несет легкий отрицательный заряд у основания илегкий положительный заряд «наверху», где располагаются атомы водорода. Поэтому при замораживании воды ее молекулы выстраиваются в правильную пространственную решетку и застывают, а между ними остается пустое пространство. Молекулы воды образуют пространственные шестиугольники, расстояние между атомами в которых больше,поэтому лед объемнее воды. По этой же причине снежинки обладают шестисторонней симметрией, а лед плавает в воде, хотя по идее должен бы в ней тонуть.) Проходить сквозь стены Помимо поверхностного натяжения, водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса на атомном уровне существуют и странные квантовые эффекты. Как правило, в повседневном быту мы не видим, как работают квантовые силы. На самом же деле они всюду. Известно, к примеру, что внутри атомы по большей части пусты, и по идее ничто не должно нам мешать проходить сквозь стены. Между ядром в центре атома и электронными оболочками ничего нет, там вакуум. Если увеличить атом до размеров футбольного поля, поле окажется пустым, поскольку его ядро при этом приобретет примерно размеры песчинки. (Мы иногда удивляем студентов простой демонстрацией. Берем счетчик Гейгера, кладем перед студентом, а со спины к нему подносим безвредную крупинку радиоактивного вещества. Студентов поражает, что какие-то частицы пронизывают его тело насквозь, вызывая щелчки счетчика, как если бы занимаемый его телом объем был по большей части пуст. А ведь так и обстоит дело в действительности!) Но если мы с вами по большей части пусты, то почему мы не можем проходить сквозь стены? В фильме «Привидение» герой Патрика Суэизи, убитый соперником, превращается в призрак. Каждый раз, когда он пытается прикоснуться к своей бывшей невесте, которую играет Деми Мур, у него ничего не получается Его руки проходят сквозь обычное вещество; он понимает что утратил вещественную составляющую и теперь просто плавает, не замечая твердых объектов. В одной сцене он засовывает голову в движущийся вагон метро. Поезд несется мимо, голова героя торчит сквозь летящую стену, но он ничего не чувствует (Фильм не объясняет, почему сила тяжести не заставляет героя провалиться сквозь пол и дальше до самого центра Земли. Судя по всему, привидения могут проходить сквозь любые вещи кроме твердого пола.) И все же, почему мы не можем, подобно привидениям проходить сквозь твердые объекты? Ответ заключается в одном любопытном квантовом явлении. Принцип запрета Паули гласит что в одной квантовой системе два электрона не могут существовать в одном и том же квантовом состоянии. Поэтому при сближении два почти идентичных электрона отталкиваются друг от друга. Именно поэтому объекты представляются нам твердыми, что, вообще говоря, иллюзия. Реальность заключается в том, что вещество по большей части пусто. Садясь на стул, мы думаем, что касаемся его поверхности На самом же деле мы зависаем чуть выше под действием электрических и квантовых сил стула и плаваем меньше чем в нанометре над сиденьем. Это означает, что любое «касание», условно мы не можем добиться непосредственного контакта. Атомные силы гарантируют, что между двумя объектами всегда остается какое-то расстояние. (Это означает также, что если бы мы научились нейтрализовать каким-то образом на время принцип запрета, то могли бы проходить сквозь стены. Однако никто не знает, как можно было бы это сделать.) Квантовые силы не только не дают атомам сталкиваться друг с другом, но и связывают их в группы — молекулы. Представьте на мгновение, что атом похож на крохотную Солнечную систему с центральным светилом и обращающимися вокруг него планетами. При встрече двух таких систем планеты либо начнут сталкиваться между собой, либо разлетятся в разные стороны, а сами системы перестанут существовать. Солнечные системы не могут оставаться стабильными при столкновениях так что по идее атомы при столкновениях друг с другом должны были бы прекращать существование. На самом деле при сближении два атома либо упруго отскакивают друг от друга, либо соединяются в стабильную молекулу. Вообще, если из атомов могут образовываться стабильные молекулы, то только потому, что некоторые электроны могут принадлежать одновременно двум атомам. С точки зрения здравого смысла такая ситуация представляется нелепой. Если бы электроны подчинялись интуитивно понятным законам Ньютона, это было бы невозможно. Но принцип неопределенности Гейзенберга гласит: мы не можем точно определить, где находится электрон. Вместо того чтобы кружить маленькой планетой вокруг атомного ядра, он оказывается размазан по общей электронной оболочке двух атомов, что и удерживает их вместе. Иными словами, если «отключить» квантовую теорию (точнее, квантовые законы), все молекулы рассыплются при столкновениях и любой объект (в том числе и человеческое тело) превратится в облачко элементарных частиц. Именно квантовая теория объясняет, почему атомы могут существовать и сцепляться между собой, образуя твердое вещество, вместо того чтобы рассыпаться на отдельные частицы. (Кстати говоря, поэтому вложенные миры невозможны. Некоторые воображают, что наша Солнечная система или даже Галактика на самом деле, возможно, является всего лишь атомом какой-то другой гигантской вселенной. Именно такой мир показан в финальной сцене фильма «Люди в черном»: вся известная нам Вселенная оказывается на самом деле лишь атомом шарика в руках у какого-то иномирного существа. Однако с точки зрения науки такая ситуация невозможна, потому что с изменением масштаба законы природы тоже меняются. Законы, которым подчиняются атомы, сильно отличаются от законов, которым подчиняются галактики.) Вот некоторые принципы квантовой теории, которые непосвященному человеку покажутся слишком заумными: •невозможно знать одновременно скорость частицы и ее положение в пространстве — здесь всегда присутствует неопределенность; •частицы могут в определенном смысле находиться в двух местах одновременно; •все частицы существуют как смесь различных состояний; к примеру, вращающиеся частицы могут представлять собой смесь частиц, оси которых вращаются одновременно вверх и вниз; •вы можете исчезнуть здесь и появиться где-то в другом месте. Все эти утверждения на первый взгляд звучат нелепо. Сам Эйнштейн однажды сказал: «Чем успешнее становится квантовая теория, тем глупее она выглядит». Никто не знает, откуда берутся такие странные законы. Ученые просто постулировали их — объявили истиной без всяких объяснений. Есть лишь одна вещь, которую можно сказать в оправдание квантовой теории: она верна. Ее верность измерена с точностью до одной десятимиллиардной, а это значит, что квантовая теория — самая точная и успешная физическая теория всех времен. Однако в повседневной жизни мы не наблюдаем ничего, что хотя бы отдаленно напоминало перечисленные выше невероятные явления. Дело в том, что мы с вами состоим из множества триллионов атомов, и квантовые эффекты в некотором смысле усредняются и становятся незначимыми. Двигать отдельные атомы Ричард Фейнман мечтал о дне, когда физик сможет построить любую молекулу, собрав ее по «чертежу», атом за атомом. Тогда, в 1959 г., это казалось невозможным, но сегодняэта мечта в какой-то мере стала реальностью. У меня была возможность наблюдать все это вблизи во время посещения Альмаденского исследовательского центра IBM в Сан-Хосе, штат Калифорния. Я приехал туда посмотреть на замечательный инструмент — сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий ученым увидеть отдельные атомы и даже воздействовать на них. Это устройство изобрели Герд Бинниг (Gerd Binnig) и Генрих Рорер из IBM, за что в 1986 г. им была присуждена Нобелевская премия. (Помню, когда я учился в школе, учитель говорил нам, что мы никогда несможем увидеть атомы. Он слишком малы для этого, говорил он. К тому моменту я уже твердо решил стать ученым-атомщиком. Я понимал, что собираюсь посвятить жизнь изучению того, что никогда не увижу собственными глазами. Но сегодня мы можем не просто увидеть атомы, но даже поиграть с ними при помощи атомного пинцета.) На самом деле сканирующий туннельный микроскоп — вовсе не микроскоп. Скорее он чем-то напоминает старинный фонограф. Тонкая игла (с кончиком, который должен заканчиваться одним атомом в вершине пирамидки) медленно проносится над поверхностью анализируемого материала. С иглы через изучаемый образец на базу инструмента проходит слабый ток. Всякий раз, когда атом на кончике иглы проходит над атомом образца, величина электрического тока слегка меняется. После нескольких проходов машина распечатывает поразительную вещь — очертания самого атома. При помощи точно такой же иглы микроскоп может не только регистрировать атомы, но и двигать их. Таким образом можно составить из атомов на образце буквы — IBM — и даже соорудить примитивную машину из атомов. (Еще одно недавнее изобретение — атомно-силовой микроскоп, способный дать поразительное трехмерное изображение атомной решетки. В атомно-силовом микроскопе также используется игла с очень тонким кончиком, но на кончик этот направляют луч лазера. Проходя над поверхностью изучаемого образца, игла дрожит от взаимодействия с атомами вещества, и это движение регистрируется оптическим датчиком на основе лазерного луча.) Я обнаружил, что передвигать отдельные атомы совсем не сложно. Я сидел перед экраном компьютера и видел на нем поверхность, состоящую из белых сфер по 2–3 см в поперечнике, напоминающих мячик для пинг-понга. На самом деле каждый шарик на экране обозначал отдельный атом на поверхности образца. Я поместил курсор на один из атомов и перетащил его мышкой на другое место. Затем я нажал кнопку, которая запускает новое сканирование. Микроскоп проделал требуемую операцию. Картинка на экране изменилась, демонстрируя мне, что один из белых шариков передвинулся ровно в ту точку, которую я указал. Процесс перестановки одного атома в любую указанную точку занимал всего одну минуту. Через полчаса я увидел, что составленные мной из атомов буквы уже можно прочесть на экране. Через час я научился составлять довольно сложные узоры примерно из десяти атомов. Сознание того, что я собственными руками практически двигаю отдельные атомы — т. е. делаю то, что когда-то считалось абсолютно невозможным, — стало для меня настоящим потрясением. МЭМС и наночастицы Хотя нанотехнологии на сегодняшний день находятся в младенческом состоянии, они уже породили стремительно развивающуюся коммерческую отрасль — химические покрытия. Если на изделие нанести путем распыления тончайший — в несколько молекул толщиной — слой нужного химического вещества, можно добиться множества полезных эффектов. С одной стороны, при помощи такого покрытия можно защитить изделие, к примеру, от ржавчины, а с другой — улучшить его, к примеру изменить в нужную сторону оптические свойства. Разработано множество различных покрытий: они оберегают нашу одежду от пятен, улучшают экраны компьютеров, усиливают режущие кромки металлообрабатывающих инструментов, защищают от царапин. В ближайшие годы на рынок поступит множество новых товаров с микропокрытиями, призванными улучшить их потребительские свойства. Конечно, нанотехнология — еще очень молодая отрасль науки. Но одна из ее сторон начинает входить в жизнь практически каждого человека; на ее базе уже выросла глобальная индустрия с годовым оборотом 40 млрд долларов. Речь о микроэлектромеханических системах (МЭМС); в эту категорию попадает множество самых разных вещей, от струйных картриджей, сенсоров для автомобильных мешков безопасности и дисплеев до гироскопов для машин и самолетов. МЭМС — это крошечные машины, такие маленькие, что могут с легкостью уместиться на кончике иглы. Изготавливают их при помощи той же технологии травления, которая уже несколько десятилетий используется в производстве микросхем. Но вместо того, чтобы вытравливать транзисторы, инженеры здесь вытравливают крохотные механические компоненты, создавая столь крохотные детали машин,что без микроскопа вы их просто не увидите. Ученые сделали атомную версию абака — древнего азиатского счетного приспособления, очень напоминающего обычные конторские счеты. В 2000 г. в Цюрихской исследовательской лаборатории IBM изготовили атомную версию этого несложного прибора; в процессе его изготовления отдельные атомы передвигали и устанавливали на место при помощи сканирующего микроскопа. Вместо деревянных костяшек, которые в счетах двигаются по жестким проволочкам, в атомном абаке были использованы фуллерены — углеродные структуры, по форме напоминающие футбольный мяч в 5000 раз тоньше человеческого волоса. В Корнеллском университете ученые пошли еще дальше и создали атомную гитару. У этой гитары шесть струн, каждая толщиной в 100 атомов. На срез человеческого волоса можно уложить в ряд двадцать таких инструментов. При этом гитара настоящая, ее струны, как струны ее макроскопического прототипа, можно щипать (хотя звук, разумеется, будет слишком высоким и потому неслышимым для человеческого уха). Но самое распространенное на сегодняшний день практическое применение этой технологии — автомобильные мешки безопасности, в которых установлены крохотные МЭМС-акселерометры, способные почувствовать резкое торможение машины. МЭМС-акселерометр представляет собой микроскопический шарик на пружинке или крохотном рычажке. Когда вы резко ударяете по тормозам, внезапное отрицательное ускорение заставляет шарик качнуться и порождает крохотный электрический заряд. Заряд служит детонатором для химического взрыва, при котором за V25 долю секунды высвобождается большое количество азота. Эта технология уже спасла множество жизней. Ближайшее будущее (с настоящего момента по 2030 г.) Наномашины в наших телах В ближайшем будущем следует ожидать появления новых разновидностей наноустройств, которые, возможно, совершат настоящий переворот в медицине; в качестве примера можно назвать наномашины, предназначенные для курсирования по кровотоку. В фильме «Фантастическое путешествие» команду ученых и специальный корабль вроде подводной лодки уменьшили до размеров красного кровяного тельца — эритроцита. Затем все они предприняли путешествие по кровеносным сосудам и мозгу пациента и пережили в его теле множество приключений. Одна из целей нанотехнологии — создание молекулярных охотников, которые будут целенаправленно искать раковые клетки и аккуратно уничтожать их, оставляя здоровые клетки нетронутыми. Авторы научной фантастики давно придумали такое устройство — молекулярное судно, курсирующее в кровяном потоке в непрерывном поиске раковых клеток. Когда-то критики считали подобное абсолютно невозможным, а высказанные фантастами идеи называли пустыми мечтаниями фантазеров. Тем не менее отчасти эта мечта сегодня уже реализована. В 1992 г. Джером Шентаг (Jerome Schentag) из университета Буффало изобрел умную таблетку, о которой мы упоминали ранее, — крохотный инструмент размером с настоящую таблетку, которую надо глотать и за продвижением которой затем можно следить при помощи электронного прибора. В нужный момент — ив нужном месте — ей можно подать команду на выброс лекарств. Созданы также умные таблетки с телекамерами для фотографирования внутренностей на пути их прохождения через желудок и кишечник. Движением таких таблеток можно отчасти управлять при помощи специальных магнитов. Таким образом, это устройство можно точно подвести к опухоли или полипу. В будущем, возможно, ученые научатся проделывать при помощи подобных устройств небольшие хирургические операции, удалять «лишние детали» и брать пробы на биопсию изнутри, не разрезая кожи. Еще более миниатюрны так называемые наночастицы — молекулы, способные доставить противораковые лекарства к конкретной мишени; если этого удастся добиться, новаятехнология произведет революцию в лечении рака. Наночастицы можно сравнить с молекулярными «умными бомбами», их назначение — доставлять химический груз в конкретное точно заданное место и активировать там, что, естественно, резко снизит побочные эффекты. Если простая «бомба» бьет по всему вокруг, включая и здоровые клетки, то умная действует избирательно и сбрасывает свой химический груз только на раковые клетки. Каждый, кому довелось испытать чудовищные побочные эффекты химиотерапии, оценит громадный потенциал наночастиц в деле уменьшения человеческих страданий. Химиотерапия промывает все тело смертельно опасными ядами, убивая раковые клетки лишь чуть эффективнее, чем обычные. У человека во время химиотерапии возникает целый спектр побочных эффектов, включая тошноту, потерю волос, слабость и т. п. Они настолько серьезны и настолько тяжело переносятся, что некоторые раковые больные согласныскорее умереть от болезни, чем подвергнуться подобной пытке. Наночастицы полностью изменят ситуацию. Лекарства, к примеру противораковые, будут помещать внутрь молекулы, имеющей форму капсулы. Затем наночастицы с лекарством запустят в кровоток, но высвободится их химическое содержимое только тогда, когда наночастица отыщет место назначения. Главная особенность наночастиц — их размер: от 10 до 100 нм. Они слишком велики, чтобы проникать в клетки крови, поэтому от нормальных клеток крови, или кровяных телец, наночастицы будут просто отскакивать. А вот раковые клетки выглядят иначе: их стенки пронизаны большими порами неправильной формы. Соответственно, наночастицы могут свободно заходить внутрь и доставлять лекарство по назначению, оставляя здоровые ткани нетронутыми. Врачам не потребуется сложная система управления, которая могла бы привести наночастицы внутри человеческого тела к цели. Они сами естественным образом аккумулируются в определенных типах злокачественных опухолей. Красота этого метода в том, что он не требует сложного и опасного лечения, которое чревато серьезными побочными эффектами. Просто сами наночастицы должны быть правильного размера: слишком большие, чтобы нападать на нормальные клетки, но в самый раз для проникновения в клетки раковые. Еще один пример — наночастицы, созданные учеными компании BIND Bioscience в Кембридже, штат Массачусетс. Эти наночастицы сделаны из полимолочной кислоты и кополимолочной/гликолевой кислоты, которые способны удерживать лекарства внутри молекулярной сетки. Это лекарство является полезным грузом наночастицы. Проводниками наночастицам служат пептиды, покрывающие их и целенаправленно сцепляющиеся с целевыми клетками. В этой работе особенно привлекает тот факт, что наночастицы формируются сами, без сложных заводов и химических комбинатов. Достаточно смешать различные химические вещества постепенно, в правильном порядке и точно соблюдаемых условиях, — и наночастицы «соберутся» сами. «Поскольку самосборка не требует проведения множества сложных химических реакций, получается, что наночастицы очень просты в производстве… И мы можем производить их килограммами, чего прежде никто не делал», — говорит представитель BIND Омид Фарохзад, врач, преподающий в Медицинской школе Гарвардского университета. Эти наночастицы уже доказали свою эффективность в опытах на крысах — в борьбе против рака простаты, груди и легких. При помощи цветных красителей несложно убедиться, что наночастицы собираются в нужном органе и высвобождают свой полезный груз так, как нужно врачам. Через несколько лет начнутся клинические испытания на людях. Электрошок для раковых клеток Не исключено, что наночастицы смогут не только разыскивать раковые клетки и доставлять к ним нужные химические вещества, но и уничтожать их на месте без посторонней помощи. Принцип прост. Наночастицы способны поглощать свет определенной частоты. Если сфокусировать на них луч лазера, они нагреваются или начинают вибрировать,разрушая клеточные стенки всех оказавшихся поблизости раковых клеток и уничтожая их. Таким образом, ключевая задача здесь — подвести наночастицы вплотную к раковым клеткам. Несколько групп исследователей, работающих в этой области, уже создали первые образцы. Так, ученые Аргоннской национальной лаборатории и Чикагского университета разработали наночастицы из диоксида титана (диоксид титана — распространенное вещество, присутствующее, в частности, в солнцезащитных кремах). Выяснилось, что эти наночастицы можно привязать к антителу, которое естественным образом ищет в организме раковые клетки определенного типа, так называемые мультиформные глиобластомы. Наночастицы подъезжают к раковым клеткам на этих антителах, как в такси. Затем на пять минут включается белый свет, раковые клетки нагреваются и в конце концов погибают. Исследования показывают, что таким образом можно уничтожить 80 % раковых клеток. Эта же группа исследователей разработала еще один способ убивать раковые клетки. Они создали крошечные магнитные диски, способные сильно вибрировать. Стоит подвести эти диски к раковым клеткам и включить небольшое внешнее магнитное поле — и вибрация дисков разрушит стенки раковых клеток. При испытаниях всего за 10 минут вибрации погибало 90 % раковых клеток. Такой результат не случаен. Ученые Университета Калифорнии в Санта-Крус разработали очень похожую систему с использованием золотых наночастиц. Эти частицы, всеголишь 20–70 нм в поперечнике, представляют собой сферическую оболочку толщиной в несколько атомов. Кроме того, ученые использовали определенный пептид, о котором известно, что его влечет к раковым клеткам кожи. При испытаниях на мышах этот пептид сцеплялся с золотыми наночастицами, после чего направлялся к раковым клеткам кожи. Если затем подсветить эти частицы инфракрасным лазером, они смогут нагреть клетки опухоли и тем самым разрушить их. «Примерно как если бы вы положили раковую клетку в горячую воду и сварили ее. Чем больше тепла выделяют наши металлические наносферы, тем лучше», — говорит Цзинь Чжан (Jin Zhang), один из исследователей. Так что в будущем методики с использованием нанотехнологий смогут обнаруживать колонии раковых клеток за несколько лет до того, как из них сформируется опухоль, ациркулирующие в крови наночастицы будут их уничтожать. Сегодня прорабатываются теоретические основы подобных методов лечения. Наномашины в нашей крови Если продвинуться еще на шаг, то вместо наночастицы мы получим нанокар (наноавтомобиль) — устройство, которым можно по-настоящему управлять в его путешествиях по телу. Если наночастицы вводят в кровоток и оставляют в покое, то скоростью и направлением движения нанокаров можно управлять, примерно как машинками с радиопультом. Джеймс Тур (James Tour) и его коллеги из Университета Райса разработали первый нанокар. Вместо колесу этой крохотной машинки — четыре фуллерена. Одна из задач, к решению которых стремятся исследователи, состоит в том, чтобы молекулярная машина могла буксировать по кровотоку крошечного робота, убивая по пути раковые клетки или доставляя жизненно необходимые лекарства точно к месту назначения. Основная проблема состоит в том, что у нанокаров нет двигателя. Ученые изобретают все более сложные молекулярные машины, но вот создать молекулярный двигатель пока никому не удается, и это главный камень преткновения. Мать-природа решила эту задачу при помощи особой молекулы, аденозинтрифосфата (АТФ), которая и служит всем живым существам источником энергии. Именно за счет энергии этой молекулы на Земле существует жизнь; она ежесекундно обеспечивает энергией каждое движение наших мышц. Энергия запасается в молекуле АТФ за счет внутренних атомных связей. Однако создать синтетический аналог такому аккумулятору оказалось весьма сложно. Томас Маллук (Thomas Mallouk) и Айюсман Сен (Ayusman Sen) из Университета штата Пенсильвания все же смогли найти потенциальное решение этой проблемы. Они создали нанокар, способный передвигаться со скоростью десятки микрон в секунду, т. е. примерно с такой же скоростью, с какой передвигается большинство бактерий. (Сначала они изготовили из золота и платины наностержень размером с бактерию, который затем поместили в водный раствор перекиси водорода. При этом на обоих концах наностержня началась химическая реакция, в результате которой протоны стали двигаться от одного конца стержня к другому. Поскольку двигались они в электрическом поле, создаваемом дипольными молекулами воды, возникла сила, толкающая наностержень вперед. Пока в воде присутствует перекись водорода, стержень будет двигаться.) Подобные наностержни можно двигать при помощи магнитов. Ученые встроили в них никелевые диски, и теперь стержни, как стрелка компаса, разворачиваются вдоль линий магнитного поля. Двигая рядом обычный магнит с холодильника, можно направить наностержни в любую сторону. Еще один способ заставить молекулярную машину двигаться — осветить фонариком пункт ее назначения. Свет способен разлагать молекулы на положительные и отрицательные ионы (фотодиссоциация). Ионы затем с разной скоростью диффундируют сквозь среду, создавая тем самым электрическое поле, а поле, в свою очередь, притягивает молекулярные машины. Таким образом, направив в определенное место фонарик, можно заставить молекулярные машины двигаться туда. Нечто подобное я видел при посещении лаборатории Сильвэна Мартеля (Sylvain Martel) в Монреальском политехническом институте в Канаде. Он работал над идеей использовать для направленного перемещения крохотного чипа в кровотоке жгутики обычных бактерий. До сих пор ученым не удается соорудить атомный движитель вроде того, что можно найти в жгутике бактерии. Мартель задался вопросом: если нанотехнология не в состоянии изготовить такое устройство, то почему не использовать жгутики настоящих живых бактерий? Для начала он изготовил микропроцессор размером меньше точки в конце этого предложения. Затем вырастил группу бактерий. Он сумел поместить около восьмидесяти бактерий с одной стороны чипа (условно говоря, сзади), так что они вынуждены были играть роль живого винта и толкать микропроцессор вперед. А поскольку бактерии эти были слегка магнитными, Мартель мог при помощи внешних магнитов направить их в любую нужную ему сторону. Мне и самому удалось попробовать себя в роли погонщика бактерий. Я смотрел в микроскоп и видел там крохотный чип, который толкали перед собой несколько бактерий. Когда я нажимал кнопку, включался магнит, и чип начинал двигаться вправо. Когда я отпускал кнопку, чип останавливался, а затем начинал беспорядочно дергаться из стороны в сторону. Таким образом, я действительно управлял его движением. При этом я представлял себе, что когда-нибудь, возможно, врач нажатием подобной кнопки будет управлять движением наноботов в венах пациента. Можно вообразить себе будущее, когда хирургию полностью заменят молекулярные машины, которые под управлением магнитов будут свободно передвигаться по системе кровообращения, собираться у больного органа, а затем высвобождать лекарства или проводить хирургическую операцию. Технологии, при которых требовалось разрезать кожные покровы человека, могут полностью уйти в прошлое. К примеру, магниты могли бы подвести наномашины к сердцу пациента, где требуется устранить блокаду артерий. ДНК-процессоры Как мы уже упоминали в главе 3, в будущем в нашей одежде, теле и ванной комнате будут присутствовать крохотные датчики, постоянно следящие за здоровьем хозяина и способные распознать болезни, такие как рак, за несколько лет до того, как они начнут представлять опасность. Ключ к этому — ДНК-чип, или ДНК-процессор, который, по обещаниям ученых, станет настоящей «микросхемой-лабораторией». Подобно трикордерам «Звездного пути», эти крохотные датчики будут за несколько минут проводить полный комплекс медицинских анализов и выдавать результат. Сегодня проверка на рак — это долгий, дорогой и трудоемкий процесс, часто занимающий не одну неделю. Понятно, что количество пациентов, которых медики могут проверить, при таких условиях сильно ограничено. Однако компьютерные технологии меняют эту ситуацию.
