Жанр: Научно-образовательная: Прочее » Эрик Дрекслер » Машины создания (страница 6)


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

Дизассемблеры

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

Ассемблеры помогут инженерам синтезировать вещи; их родственники, дизассемблеры, помогут ученым, и инженерам анализировать вещи. Что касается ассемблеров, они опираются на способность ферментов и химических реакций формировать связи, и способность машин управлять процессом. Дизассемблеры же опираются на способность ферментов и химических реакций разрушать связи, и машин – управлять процессом. Ферменты, кислоты, окислители, металлы, щелочи, ионы и реагирующие группы атомов, называемых свободными радикалы – все могут разрушать связи и удалять группы атомов. Поскольку нет ничего, что было бы абсолютно невосприимчивым к коррозии, по-видимому, молекулярные инструменты будут способны что-либо разбирать, по нескольким атомам за раз. Что более существенно, наномашина могла бы (в случае необходимости и подходящего случая) также применять и механические силы, в результате освобождая группы атомов.

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

Обновлённый мир

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

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

Глава 2. ПРИНЦИПЫ ИЗМЕНЕНИЙ

Вы можете представить себе процесс проектирования как, во-первых, генерирование альтернатив, а затем испытание этих альтернатив против целого ряда требований и ограничений.

ГЕРБЕРТ А. САЙМОН

Порядок из хаоса

Эволюционирующие молекулы

Объяснение порядка

Эволюционирующие организмы

Другой путь назад

Выращивание репликаторов

Развивающаяся технология

Эволюция конструирования

Что окажется новыми репликаторами?

Создания разума

Отбираем идеи

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АССЕМБЛЕРЫ сделают такую революцию, какой не было со времён появления рибосом, примитивных ассемблеров в клетке. Получающаяся в результате нанотехнология может помочь распространению жизни вне Земли – шаг, не имеющий аналогов, начиная с распространения жизни вне морей. Это может помочь машинам обрести разум – шаг, не имеющий параллелей, с тех пор как разум появился в приматах. И это может позволять нашим умам обновлять и переделывать наши тела – шаг вообще не имеющий аналогов.

Эти революции принесут опасности и возможности, слишком обширные, чтобы их могло вместить человеческое воображение. Все же принципы изменения, которые выполнялись для молекул, клеток, животных, разума, и машинам, должны продолжать деятельность даже в век биотехнологии, наномашин и искусственного 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 понять потенциал для хорошего и плохого в новых технологиях.

Порядок из хаоса

Порядок может появляться из хаоса без чьих-либо распоряжений: хорошо организованные кристаллы конденсировались из бесформенного межзвездного газа намного раньше Солнца, Земли, или появления жизни. Из хаоса также появляется кристаллический порядок и при более знакомых обстоятельствах. Вообразите молекулу, возможно правильную по форме, а, возможно, неравномерную и узловатую как корень имбири. Теперь вообразите большое число таких молекул, перемещающихся беспорядочно в жидкости, переворачиваясь и толкаясь как алкоголики в невесомости и темноте. Вообразите испаряющуюся и охлаждающуюся жидкость, что заставляет молекулы быть ближе друг к другу и замеляя их движения. Будут ли эти беспорядочно перемещающиеся, молекулы странной формы просто собираться в беспорядочных "кучах"? В общем случае – нет. Обычно они будут устанавливаться в кристаллическую структуру, каждый аккуратно устраиваясь напротив своих соседей, формируя строки и столбцы, такие же совершенные, как шахматная доска, хотя часто более сложные.

Этот процесс не включает ни волшебство, ни какие-то специальные свойства молекул и квантово-механических сил. Это даже не требует специальных соответствующих друг другу форм, которые позволяют молекулам белка самостоятельно собираться в машины. Если положить мраморные шарики одинакового размера на поднос и встряхнуть, также выпадают в правильные рисунки.

Кристаллы растут путём проб и удалением ошибок, путём варьирования и селекции. Никакие крошечные руки их не собирают. Кристалл может начинаться со случая молекул, собирающихся в группу: молекулы блуждают, сталкиваются, и собираются в группы случайным образом, но группа держится вместе лучше всего когда она упакована в правильную кристаллическую структуру. Далее в первоначальный маленький кристалл ударяются другие молекулы. Некоторые тыкаются в неправильные места или с неправильной ориентацией; они плохо прилипают и от колебаний вновь отваливаются. Другие по случаю попадают нужным образом; они лучше

прилипают и часто остаются. Слой строится на слое, расширяя кристаллическую структуру. Хотя молекулы сталкиваются случайным образом, они не прилипают случайно. Порядок растёт из хаоса путём варьирования и селекции.

Эволюционирующие молекулы

В росте кристаллов, каждый слой образует шаблон для следующего. Однородные слои накапливаются и формируют твердый блок.

В клетках нити ДНК или РНК также могут служить в качестве шаблонов при помощи ферментов, которые действуют как молекулярные копировальные машины. Но элементы, из которых строятся нити нуклеиновых кислот, могут быть устроены во многих различных последовательностях, и нить шаблона может отделиться от копии. И нить, и её копия могут далее снова быть скопированы. Биохимик Сол Спиджельман использовал копировальные машины (белки из вируса) для экспериментов в испытательной пробирке. Говоря просто, безжизненная среда дуплицирует молекулы РНК.

Представьте себе нить РНК, плавающую в испытательной пробирке вместе с копировальными машинами и элементами РНК. Нить кувыркается и изгибается, пока она не наталкивается на копировальную машину в правильном положении, чтобы слипнуться. Элементы толкутся вокруг, пока один нужного вида не встретит копировальную машину в правильном положении, которая соответствует нити шаблона. Как только соответствующие элементы ухитряются попасть в нужное положение, машина захватывает их и привязывает их к растущей копии; хотя элементы сталкиваются случайным образом, машина связывает выборочно. В конце концов машина, шаблон и копия разъединяются.

В терминологии зоолога Ричарда Давкинса из Оксфорда, объекты, которые делают копии себя, называются репликаторами. В этой окружающей среде молекулы РНК подходят под определение: единственная молекула скоро превращается в две, потом четыре, восемь, шестнадцать, тридцать две, и так далее, умножаясь экспоненциально. Далее скорость репликации снижается: постоянный запас белковых машин может производить копии только с какой-то скоростьюРНК, 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 растущее число молекул достигает предела росту и останавливает репродуцирование.

Копировальные машины, однако, часто копируют неправильно нить РНК, вставляя, удаляя, или неправильно сопоставив элемент нити. Получающаяся в результате нить с мутациями тогда отличается по последовательности элементов или длине. Такие изменения довольно случайны, и изменения накапливаются по мере того как скопированные с ошибкой молекулы снова копируются с ошибкой. По мере того как молекулы размножаются, они начинают отличаться от своих предшественников и друг от друга. Это может выглядеть как рецепт, приводящий к хаосу.

Биохимики нашли, что различающиеся молекулы РНК копируются с разными скоростями, в зависимости от их длин и структуры элементов. Потомки более быстрых репликаторов естественно становятся более распространёнными. Действительно, если один вид копируется только на 10 процентов быстрее чем его собратья, то после одной сотни поколений, каждый из более быстрого вида даст в 1000 раз большее число потомков. Малые различия в экспоненциальном росте накапливаются экспоненциально.

Когда в испытательной пробирке заканчиваются элементы, экспериментатор может взять пробу его РНК и "заразить" новую пробирку. Процесс начинается снова и молекулы, которые доминировали в первом раунде соревнования начинаются с некоторой форой. Появляются маленькие изменения, по прошествии времени вырастая в большие. Некоторые молекулы размножаются быстрее, и их вид доминирует в смеси. Когда ресурсы исчерпываются, экспериментатор может взять пробу РНК и начать снова (и снова, и снова), сохраняя условия 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). Его типичная версия имеет известную, четкую последовательность 220 элементов. Это – лучший РНК репликатор в этой среде, так что он перенаселяет другие и остаётся.

Копирование, растянутое во времени, копирование с ошибками и конкуренция всегда дают те же самые результат, независимо от длины или структуры молекулы РНК, с которой начинается процесс. Хотя никто не мог бы предсказать, какая структура выиграет, каждый может видеть, что изменение и конкуренция будут иметь тенденцию выдвигать единственного победителя. В такой простой системе могло бы произойти кое-что ещё. Если эти репликаторы сильно воздействуют друг на друга (возможно, путём выборочных атак или помощи 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: молекулы РНК приспосабливаются по-разному к различным окружающим средам. Молекулярная машина, называемая рибонуклеазой захватывает молекулы РНК, имеющие определённые последовательности элементов, находящихся на поверхности, 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. Экспериментаторы находят, что молекулы РНК развивают в процессе эволюции способность жертвовать быстрым размножением в пользу лучшей защиты, когда вокруг находится рибонуклеаза. Опять же, конкуренция способствует возникновению лучшего.

Заметьте, что в это описание вкрались термины из биологии: так как молекулы копируются, слово "поколение" выглядит правильным; молекулы "происходящие" от общего "предка" – "родственники", а слова "рост", "размножение", "мутация" и "конкуренция" также выглядят подходящими. Почему так? Потому что эти молекулы копируют себя с небольшими изменениями, также как это делают гены живых организмов. Когда различные репликаторы имеют различный успех, наиболее успешные имеют тенденцию накапливаться. Этот процесс, где бы он ни происходил, есть "эволюция".

В этом примере испытательной пробирки мы можем наблюдать эволюцию, раздетую до своих наиболее важных сущностных моментов, и освобождённую от противоречий, окружающих эволюцию жизни. Репликаторы РНК и белковые копировальные машины – это хорошо определённые наборы атомов, подчиняющихся хорошо понимаемым принципам и эволюционирующих в воспроизводимых лабораторных условиях. Биохимики могут делать РНК и белки из химических веществ, взятых "с полки", без помощи жизни.



Ознакомительный фрагмент книги закончился.
Чтобы прочитать или скачать всю книгу
перейдите на сайт партнера.

Перейти и скачать