Реферат: Машины создания

О, этот дивный мир...
МАШИНЫ СОЗДАНИЯ
Грядущая эра нанотехнологии
Автор – K. Эрик Дрекслер
Перевод на русский язык – Михаил Свердлов

Впервые книга "Машины создания" была издана в твердой обложке издательством Энкор Букс (Anchor Books) в 1986 году, а в мягкой обложке – в 1987. Интернет-версия переиздана и адаптирована Расселом Вайтейкером с разрешения владельца авторских прав. Подлинник на английском языке находится на сайте Института предвидения по адресу: http://www.foresight.org/EOC.

[Примечание: данная русская версия еще не отредактирована и не откорректирована. Так что временно прошу снисходительно отнестись к ошибкам, опечаткам, неточностям перевода и стилистическим глупостям. Со временем обязательно все доделаю. Я посчитал, что этот великий текст, даже в таком убогом виде, важнее выложить на веб как можно раньше, чтобы люди смогли его прочитать... – М.С.]

ISBN 0-385-19973-2
ОГЛАВЛЕНИЕ
^ ВВЕДЕНИЕ К ВЕБ-ВЕРСИИ
ПРЕДИСЛОВИЕ Марвина Мински
БЛАГОДАРНОСТИ

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ОСНОВЫ ПРЕДВИДЕНИЯ

1. Машины строительства
2. Источники перемен
3. Предсказание и проектирование

^ ЧАСТЬ ВТОРАЯ. ОЧЕРТАНИЯ ВОЗМОЖНОГО

4. Машины изобилия
5. Думающие машины
6. Мир вне пределов Земли
7. Машины исцеления
8. Долгая жизнь в Открытом Мире
9. Дверь в будущее
10. Пределы роста

^ ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ. ОПАСНОСТИ И НАДЕЖДЫ

11. Машины разрушения
12. Стратегии и выживание
13. В поиске фактов
14. Сеть знаний
15. Изобилие миров и времени

ПОСЛЕСЛОВИЕ
ГЛОССАРИЙ
ПРИМЕЧАНИЯ И ССЫЛКИ
^ Машины создания. Введение к веб-версии
Десять лет с первого издания "Машин создания" продвинули нас далеко вперёд по пути развития молекулярной нанотехнологии и молекулярной промышленности. Продвижение оказалось быстрее, чем я ожидал.

Базовые концепции также оказались более спорны, чем я ожидал. Даже теперь, после того как (в частности) Советник по науке США призвал к развитию молекулярной промышленности, у части научного истэблишмента все еще есть трудности с некоторыми весьма простыми идеями.

Кажется очевидным, что получение полного контроля над материей на молекулярном уровне сделает возможными крупные технологические сдвиги, и также очевиден наш прогресс в этом направлении.

Молекулярные механизмы, обнаруженные в природе, дают доказательство существования огромных возможностей. Об успехах исследований в направлении создания таких механизмов сообщается в журналах каждую неделю. Возможно, короткие временные горизонты, характерные для американской и европейской науки, оправдывают пренебрежение последствиями того, что мы уже знаем, что оно возможно.

"Машины создания" предсказывали развитие систем гипертекстовых публикаций, теперь такая публикация наконец появилась. В то время как Сеть испытывает недостаток нескольких важных особенностей, тем не менее она предоставляет и многие выгоды, описанные в "Машинах".

Вызывает чувство удовлетворения, что "Машины" теперь доступны в этой новой среде. Моя благодарность Расселу Вайтейкеру за создание html-версии и Джиму Льюису за сканирование текста для более ранней версии HyperCard.

[Примечание: В более ранней версии было сделано серьёзное упущение - не было благодарностей за работу по конвертированию оригинального текста. Дополнительную признательность следует выразить Джону Л. Квелю, который, в сотрудничестве с компанией Боинг и Джоном Срамером из университета Вашингтона, приложил определенные усилия несколько лет назад, вскоре после первой публикации этой книги, для сканирования и распознавания оригинального текста... тогда, когда сканирование было большим техническим подвигом. Благодарности д-ру Джиму Льюису за то, что он обратил на это наше внимание - Расселл]

Есть кое-что, что я бы изменил в "Машинах", если бы писал их сегодня (то есть я бы подправил детали, но изменения были бы несущественными). Технологическая работа продолжает эволюционировать и расширяться в масштабе и аналитических деталях, но основные концепции пережили критическое рассмотрение, в сети и где бы то ни было ещё.

Чтобы быть в курсе разработок в нанотехнологии, свяжитесь с Институтом Предвидения или посмотрите его веб-сайт, а сайт Института молекулярного производства сейчас находится в разработке.

Ерик Дрекслер,
Член совета колледжа по научной работе
Института молекулярного производства,
Пало Альто, Калифорния
Апрель 1996 года.
^ Предисловие Марвина Мински
"Машины создания" K. Эрика Дрекслера - чрезвычайно оригинальная книга о последствиях новых технологий. Она честолюбива, написана образно и, что самое главное, высказываемые мысли - технически обоснованы.

Но как кто-либо может предсказать, где наука и техника застанет нас? Хотя много ученых и технологов пробовало сделать это, но не любопытно ли, что наиболее успешные попытки принадлежали авторам научной фантастики, таким как Жюль Верн, Х.Г. Велз, Фредерику Роль, Роберт Хайнлайн, Айзек Азимов и Артур К. Кларк? Разумеется, некоторые из этих писателей знали много о науке своего времени. Но, возможно, самым главным источником их успеха было то, что они в равной степени уделяли внимание необходимым и альтернативным факторам, которые, по их воображению, возникали из их обществ. Поскольку, как подчёркивал сам Кларк, практически невозможно предсказать детали будущих технологий на срок больше, чем, возможно, половина столетия вперед. Например, практически невозможно предсказать детально, какие альтернативы станут технически возможными на большем интервале времени. Почему? Просто потому, что если бы можно было заглядывать вперед так ясно, возможно, можно было бы воплощать эти предсказания намного раньше - если считать, что есть желание это сделать. Вторая проблема состоит в том, что не менее трудно предположить характер социальных изменений, которые, вероятно, могут вмешаться. Учитывая такую неопределённость, предсказание подобно зданию очень высокой и тонкой пирамиды аргументов. И все мы знаем, что такие конструкции ненадежны.

Как можно было бы построить более надёжные доказательства? Во-первых, исходные положения должны быть предельно достоверны - и Дрекслер основывается на наиболее достоверных областях из современного технического знания. Затем, до того как переходить к следующему шагу, следует подтвердить каждый важный шаг в выводах несколькими различными способами. И наконец, никогда не безопасно полностью доверять нашим собственным суждениям в таких вопросах, так как у всех нас есть желания и опасения, который оказывают влияние на то, как мы думаем, - и мы это не осознаём. Но, в отличие от большинства людей, которые борются с предрассудками, Дрекслер много лет смело и открыто выставлял эти идеи и перед наиболее консервативными скептиками, и перед мечтателями, которые принимают желаемое за действительное, среди серьезных научных сообществ, как, например, таковое, связанное с Массачусетским технологическим Институтом. Он всегда внимательно слушал то, что говорят другие, и иногда пересматривал соответственно свои взгляды.

"Машины создания" начинаются с мысли о том, что наши возможности что-либо делать зависят от того, что мы можем построить. Это ведет к осторожному анализу возможных способов складывать атомы. Далее Дрекслер задаётся вопросом: "Что мы могли бы строить с помощью таких складывающих атомы механизмов?" Для примера, мы могли бы производить сборочные машины, по размеру намного меньшие даже живых клеток, и делать материалы более прочными и лёгкими, чем любые имеющиеся на сегодня. А значит, лучшие космические корабли. А значит, крошечные устройства, которые могут путешествовать по капиллярам, чтобы входить в них и восстанавливать живые клетки.

Следовательно - способность лечить болезнь, обращать вспять разрушительное воздействие возраста или сделать наши тела более быстрыми или более сильными, чем прежде. И мы могли бы делать машины вплоть до размеров вирусов, машины, которые будут работать со скоростями, которые никто из нас не может ещё оценить. А затем, как только мы научимся это делать, мы смогли бы собирать мириады таких крошечных частей в интеллектуальные машины, возможно, основанные на использовании квинтильонов наноскопических параллельно работающих устройств, которые делают описания, сравнивают их с ранее записанными моделями и затем используют результаты всех прошлых экспериментов. Таким образом, эти новые технологии могли бы изменить не просто материалы и средства, которые мы используем, чтобы формировать нашу физическую среду, но также и действия, которые мы были бы затем способны совершать внутри любого создаваемого нами вида мира.

Теперь, если вернуться к проблеме Артура С. Кларка предсказания на больший срок, чем пятьдесят лет вперед, мы видим, что темы, к которым обращается Дрекслер, похоже, затрудняют её решение. Ведь как только начнётся процесс складывания из атомов, то "всего лишь пятьдесят лет" могли бы принести большее количество изменений, чем все, что случилось со времён средневековья. Как мне кажется, несмотря на все, что мы слышим о современных технологических революциях, в действительности, они не сделали таких больших перемен в нашей жизни, какие сделали революции первой половины столетия. Действительно ли телевидение изменило наш мир? Несомненно, меньше, чем это сделало радио, и даже меньше, чем это сделал телефон. Как насчёт самолетов? Они просто уменьшили время путешествия с дней до часов - в то время как железная дорога и автомобиль уже сделали большие изменения, сократив это время путешествия с недель до дней! Но "Машины создания" ставят нас на порог поистине значительных перемен; нанотехнология могла бы иметь большее влияние на наше материальное существование, чем такие два последних больших изобретения этого рода - замена палок и камней металлом и цементом и использование электричества. Точно так же мы можем сравнивать возможное воздействие искусственного интеллекта на то, как мы думаем, и на то, как мы могли бы начать думать о самих себе, только с двумя более ранними изобретениями: изобретением языка и письма.

Скоро мы будем вынуждены встать перед некоторыми из этих перспектив и выборов. Как нам следует с ними поступать? Книга "Машины создания" объясняет, как эти новые альтернативы могли бы затронуть многое из того, что в наибольшей степени заботит человечество: богатство и бедность, здоровье и болезни, мир и война. И Дрекслер предлагает не просто нейтральное перечисление возможностей, но множество идей и предложений о том, как можно было начать их оценивать. "Машины создания" - пока что наилучшая попытка подготовить нас к размышлению на тему - куда мы можем прийти и следует ли препятствовать созданию новых технологий.

^ МАРВИН МИНСКИ,
Donner профессор наук,
Массачусетский Технологический Институт
Глоссарий
Этот глоссарий содержит термины, которые используются в описании вопросов, связанных с высокими технологиями. Он составлен группой по изучению нанотехнологии Массачусетского Технологического Института, при особом содействии Дэвида Дарроу из Университета Штата Индиана.

АКТИВНАЯ ЗАЩИТА: защитная система со встроенными сдерживающими факторами для ограничения или предотвращения использования системы во вред.

АМИНОКИСЛОТЫ: Органические молекулы, из которых строятся белки. Известно около двух сотен аминокислот, двадцать из которых широко распространены в живых организмах.

АНТИОКСИДАНТЫ: Химические вещества, препятствующие окислению, которое вызывает прогорклость жиров и повреждение ДНК.

ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ (ИИ): область исследования, которая ставит целью понять и построить интеллектуальные машины; этот термин также может относиться к непосредственно машине с интеллектом.

АССЕМБЛЕР: молекулярная машина, которая может быть запрограммирована строить практически любую молекулярную структуру или устройство из более простых химических строительных блоков. Подобие управляемого компьютером механического цеха. (См. Репликатор.)

АТОМ: самая маленькая частица химического элемента (приблизительно три десятимиллиардных метра в диаметре). Атомы - блоки, из которых строятся молекулы и твердые объекты; они состоят из облака электронов, окружающих плотное ядро, которое в тысячи раз меньше, чем сам атом. Наномашины будут работать не с ядрами, а с атомами.

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ИНЖИНИРИНГ: использование компьютеров для выполнения технических разработок, в предельном случае - проведение детальных проработок с минимальной человеческой помощью или без неё по заданной общей спецификации. Автоматизированный инжиниринг - специализированная форма искусственного интеллекта.

БАКТЕРИИ: Одноклеточные живые организмы, обычно диаметром около одного микрона. Бактерии - одни из самых старых, самых простых и самых маленьких типов клеток.

БИОШОВИНИЗМ: предубеждение, что биологические системы имеют присущее и неотъемлемое превосходство, которое всегда будет давать им монополию на самовоспроизводство и интеллект.

БИОСТАЗИС: состояние, в котором структура клетки и ткани сохранена, что позволяет в дальнейшем восстановление клеток машинами ремонта.

БАЛК-ТЕХНОЛОГИЯ: Технология, основанная на манипуляции совокупностями атомов и молекул, а не индивидуальными атомами; большинство существующих технологий попадает в эту категорию.

КАПИЛЛЯРЫ: Микроскопические кровеносные сосуды, которые переносят части крови, обогащённые кислородом, к тканям.

КЛЕТКА: единица, ограниченная мембраной, обычно несколько микрон в диаметре. Все растения и животные состоят из одной или большего количества клеток (для человека - триллионы). Вообще, каждая клетка многоклеточного организма содержит ядро, содержащее всю генетическую информацию организма.

МАШИНА РЕМОНТА КЛЕТКИ: система, включающая нанокомпьютеры и датчики размера молекул, а также инструменты, запрограммированные на восстановление повреждений ячеек и тканей.

ЧИП: См. Интегральная схема.

ПЕРЕКРЁСТНОЕ СВЯЗЫВАНИЕ: процесс, формирующий химические связи между двумя отдельными молекулярными цепями.

КРИОБИОЛОГИЯ: наука биологии при низких температурах; исследования в криобиологии сделали возможным замораживание и хранение спермы и крови для более позднего использования.

КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА: регулярно повторяющаяся трехмерная структура атомов в кристалле.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ С ОПЕРЕЖЕНИЕМ: использование известных принципов науки и инжиниринга для разработки систем, которые могут быть построены только с помощью еще не имеющихся в распоряжении инструментов; это даёт возможность более быстрого получения пользы от способностей новых инструментов.

ИЗБЫТОЧНОСТЬ В ПРОЕКТИРОВАНИИ: форма избыточности, при которой компоненты различного проекта служат одной и той же цели; это даёт возможность системам функционировать должным образом несмотря на недостатки проекта.

ДИЗАССЕМЛЕР: система наномашин, способная разбирать объект на атомы с записью его структуры на молекулярном уровне.

ИНФОРМАЦИОННАЯ СМЕРТЬ: Такие изменения в организме, что из текущего состояния не может быть определена его исходная структура.

ДНК (ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА): молекулы ДНК - длинные цепи, состоящие из четырех видов нуклеотидов; порядок этих нуклеотидов кодирует информацию, необходимую для построения молекул белка. Они, в свою очередь, составляют многое из молекулярного аппарата клеток. ДНК - генетический материал клеток. (См. также РНК).

ИНЖИНИРИНГ: использование научного знания и метода проб и ошибок для проектирования системы. (См. Наука.)

ЭНТРОПИЯ: мера беспорядка физической системы.

ФЕРМЕНТ: белок, который действует как катализатор в биохимической реакции.

EURISKO: программа для компьютера, разработанная профессором Дугласом Ленатом, которая способна применить эвристические правила для выполнения различных задач, включая изобретение новых эвристических правил.

ЭВОЛЮЦИЯ: процесс, в котором популяция самовоспроизводящихся существ подвергается изменению, с размножением успешных вариантов, которые становятся основой для дальнейших изменений.

ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНЫЙ РОСТ: Рост, характеризующийся периодическим удвоением показателя.

ФОРУМ ПОИСКА ФАКТОВ: процедура для поиска фактов с помощью структурированных и управляемых арбитром дебатов между экспертами.

СВОБОДНЫЙ РАДИКАЛ: молекула, содержащая непарный электрон, обычно в высокой степени непостоянный и готовый вступать в реакции. Свободные радикалы могут повреждать молекулярные механизмы биологических систем, что ведёт к перекрёстным связям и мутациям.

ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ ХЕЙЗЕНБЕРГА: квантово-механический принцип, из которого следует, что положение и импульс объекта не могут быть точно определены. Принцип Хейзенберга помогает определить размер электронных облаков, и, следовательно, размер атомов.

ЭВРИСТИКИ: Строго необоснованные правила, которые используются для поиска направления, где могут находиться решения проблемы.

ГИПЕРТЕКСТ: система на базе компьютера для объединения текста и другой информации перекрестными ссылками, дающая возможность быстрого доступа и поиска, легкой публикации критики.

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА (ИС): электронная схема, состоящая из многих взаимосвязанных устройств на одном участке полупроводника, обычно со стороной в 10 мм. ИС - самые важные блоки, из которых строятся сегодняшние компьютеры.

ИОН: атом с большим или меньшим количеством электронов, чем нужно, чтобы компенсировать электронный заряд ядра. Ион - атом с электрическим зарядом.

КЕВЛАР (TM): синтетическое волокно, созданное компанией E. I. du Pont Nemours & Co. Прочнее большинства сталей, Кевлар - один из самых прочных материалы доступных на рынке, используемый в аэрокосмическом конструировании, пуленепробиваемых жилетах и других случаях, когда требуется высокое отношение прочности к весу.

СВЕТОВОЙ ПАРУС: система приведения в движение космического корабля, которая получает толчок от давления света, падающего на тонкую металлическую плёнку.

ОГРАНИЧЕННЫЙ АССЕМБЛЕР: ассемблер со встроенными ограничителями, которые сужают способы использования (например, делают опасные виды использования затруднёнными или невозможными или позволяют строить только один вид объектов).

МИМ: идея, которая, подобно гену, может воспроизводиться и эволюционировать. Примеры мимов (и систем мимов) включают политические теории, религии, обращающие в свою веру, и саму идею относительно мимов.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ: См. Нанотехнология.

МОЛЕКУЛА: самая маленькая частица химического вещества; обычно группа атомов, скрепляемых в особом порядке химическими связями.

МУТАЦИЯ: наследуемая модификация в генетической молекуле, такой как ДНК. По своему воздействию на организм мутации могут быть положительными, отрицательными или нейтральными; конкуренция элиминирует отрицательные, оставляя положительные и нейтральные.

НАНО-: приставка, означающая десять к минус девятой степени, или одну миллиардную.

НАНОКОМПЬЮТЕР: компьютер, сделанный из компонентов (механических, электронных или других) в масштабе нанометра.

НАНОТЕХНОЛОГИЯ: Технология, основанная на манипуляции отдельными атомами и молекулами для построения структуры к сложным, атомным спецификациям.

НЕЙРОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ: Имитация функционирования нейронной системы, такой как мозг, путём моделирования функции каждой клетки.

НЕЙРОН: нервная клетка, такая, какие можно обнаружить в мозгу.

НУКЛЕОТИД: небольшая молекула, состоящая из трех частей: азотная основа (пурин или пиримидин), сахар (рибоза или дезоксирибоза) и фосфат. Нуклеотиды играют роль блоков, из которых строятся нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).

ЯДРО: В биологии - структура в достаточно сложных клетках, содержащая хромосомы и аппарат для транскрипции ДНК в РНК. В физике - маленькое, плотное ядро атома.

ОРГАНИЧЕСКАЯ МОЛЕКУЛА: молекула, содержащая углерод; все сложные молекулы в живых системах в этом смысле - органические молекулы.

ПОЛИМЕР: молекула, составленная из единиц меньшего размера, связанных так, что они образуют цепь.

ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ СУММА: термин, используемый для описания ситуации, где один или большее количество существ могут выигрывать без того, чтобы из-за этого другие существа несли равный проигрыш; например, растущая экономика. (См. Нулевая Сумма.)

ИЗБЫТОЧНОСТЬ: использование большего количества компонентов, чем необходимо, для выполнения функции; это может давать возможность системе работать должным образом, несмотря на вышедшие из строя компоненты.

РЕПЛИКАТОР: Когда речь идёт об эволюции, репликатор - это объект (такой как ген, мим или содержание диска памяти компьютера), который способен сам себя скопировать, включая любые изменения, которым он мог подвергнуться. В более широком смысле, репликатор - это система, которая способна делать свою копию, не обязательно копируя любые изменения, которым она могла подвергнуться. Гены кролика - репликаторы в первом смысле (изменение в гене может быть унаследовано); кролик непосредственно - репликатор только во втором смысле (метка, сделанная на его ухе, не может быть унаследована).

ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫЙ ФЕРМЕНТ: фермент, который разрезает ДНК в определенном участке, позволяя биологам вставить или удалить генетический материал.

РИБОНУКЛЕАЗА: фермент, который сокращает молекулы РНКв меньшие части.

РИБОСОМА: молекулярная машина, обнаруживаемая во всех клетках, которая строит молекулы белка согласно инструкциям, читаемым из молекул РНК. Рибосомы - сложные структуры, построенные из молекул белка и РНК.

РНК: Рибонуклеиновая кислота; молекула, подобная ДНК. В клетках информация из ДНК расшифровывается в РНК, которые, в свою очередь, "читаются", чтобы направить построение белка. Некоторые вирусы используют РНК как свой генетический материал.

НАУКА: процесс развития систематизируемого знания мира путём изменения и испытания гипотез. (См. Инжиниринг.)

НАУЧНЫЙ СУД: (введено в употребление средствами массовой информации) форум поиска фактов, проводимый правительством.

ЗАКРЫТАЯ АССЕМБЛЕРНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ: рабочее пространство, содержащее ассемблеры, которое закрыто со всех сторон таким образом, что информация может течь внутрь и наружу, но ассемблеры или продукты их деятельности наружу выходить не могут.

СИНАПС: структура, которая передает сигналы от нейрона к соседнему (или к другой клетке).

ВИРУС: маленький репликатор, состоящий из небольшого количества хорошо упакованной ДНК или РНК, который, будучи введённым в клетку хозяина, может направить молекулярные механизмы клетки на производство большего количества вирусов.

НУЛЕВАЯ СУММА: термин, используемый для описания ситуации, в которой одно существо может получать пользу, только если другие существа терпят равную потерю; например, игра в покер. (См. Положительная Сумма.)


Глава 1. МАШИНЫ СТРОИТЕЛЬСТВА
^ Два стиля технологии
Молекулярная технология сегодня
Существующие белковые машины
Конструирование с помощью белков
Второе поколение нанотехнологии
Универсальные Ассемблеры
Какие будут выводы?
Нанокомпьютеры
Дизассемблеры
Обновлённый мир

Ссылки к главе 1



Конструирование белка ... представляет первый существенный шаг к более общей возможности молекулярного конструирования, которая позволила бы нам структурировать материю атом за атомом.

^ КЕВИН АЛМЕР,
директор по перспективным исследованиям корпорации Genex



УГОЛЬ И АЛМАЗЫ, песок и чипы компьютера, рак и здоровая ткань - на всём протяжении истории, в зависимости от упорядочения атомов, возникало дешевое или драгоценное, больное или здоровое. Упорядоченные одним образом, атомы составляют почву, воздух и воду; упорядоченные другим, они составляют спелую землянику. Упорядоченные одним образом, они образуют дома и свежий воздух; упорядоченные другим, они образуют золу и дым.

Наша способность упорядочивать атомы лежит в основе технологии. Мы ушли далеко в своей способности упорядочивать атомы, от заточки кремня для наконечников стрел до обработки алюминия для космических кораблей. Мы гордимся нашей технологией, с нашими лекарствами, спасающими жизнь, и настольными компьютерами. Однако наши космические корабли всё ещё грубы, наши компьютеры пока ещё глупые, а молекулы в наших тканях всё ещё постепенно приходят в беспорядок, вначале разрушая здоровье, а затем и саму жизнь. При всех наших успехах в упорядочении атомов мы всё ещё используем примитивные методы упорядочения. При нашей имеющейся технологии мы всё ещё вынуждены манипулировать большими, плохо управляемыми группами атомов.

Но законы природы дают много возможностей для прогресса, и давление мировой конкуренции даже теперь толкает нас вперед. Хорошо это или плохо, но самое большое технологическое достижение в истории всё ещё нас ожидает впереди.
^ Два Стиля Технологии
Наша современная технология основывается на древней традиции. Тридцать тысяч лет назад обтёсывание камня было высокой технологией. Наши предки брали камни, содержащие триллионы триллионов атомов, и удаляли слои, содержащие миллиарды триллионов атомов, чтобы сделать их них наконечники для стрел. Они делали прекрасную работу с мастерством, трудновоспроизводимым сегодня. Также они делали рисунки на стенах пещер во Франции распылением краски, используя свои руки и трафареты. Позже они делали горшки обжиганием глины, потом - бронзу, обжигая породу. Они придавали бронзе форму, выковывая её. Они делали железо, потом сталь, и придавали им форму, нагревая, выковывая и снимая стружку.

Мы теперь готовим чистую керамику и более прочные стали, но мы все еще придаём им форму с помощью выковывания, снятия стружки и т.п. Мы готовим чистый кремний, пилим его в пластины и делаем рисунок на поверхности, используя крошечные трафареты и пучки света. Мы называем эти изделия "чипами" и считаем, что они удивительно малы, по крайней мере, в сравнении с наконечниками стрел.

Наша микроэлектронная технология сумела загнать машины, столь же мощные, как компьютеры размером в комнату в начале 1950-ых, в несколько кремниевых чипов в карманном компьютере. Инженеры теперь делают устройства меньшие, чем когда-либо, раскидывая группы атомов по поверхности кристалла так, чтобы образовывались связи и компоненты в одну десятую толщины тончайшего волоса.

Эти микросхемы могут считаться маленькими в стандартах тесальщиков кремня, но каждый транзистор все еще содержит триллионы атомов, и так называемые "микрокомпьютеры" все еще видимы невооружённым глазом. По стандартам более новой, более мощной технологии они будут выглядеть гигантскими.

Древний стиль технологии, который можно проследить от чипов кремня до кремниевых чипов, обращается с атомами и молекулами в больших совокупностях; назовём это балк-технологией (bulk - оптовый). Новая технология будет манипулировать индивидуальными атомами и молекулами, под контролем и прецизионно, - назовём такую технологию молекулярной. Она изменит наш мир в большем количестве областей, чем мы можем вообразить.

Микросхемы имеют части, измеряемые в микрометрах, то есть в миллионных долях метра, но молекулы измеряются в нанометрах (в тысячу раз меньше). Мы можем использовать термины "нанотехнология" и "молекулярная технология" взаимозаменяемо для описания нового вида технологии. Разработчики новой технологии будут строить и наносхемы, и наномашины.
^ Молекулярная технология сегодня
Одно из определений машины по словарю - "любая система, обычно из твердых частей, сформированных и связанных так, чтобы изменять, передавать и направлять используемые силы определенным способом для достижения определенной цели, такой как выполнение полезной работы". Молекулярные машины подходят под это определение вполне хорошо.

Чтобы представить себе эти машины, нужно сначала дать наглядное представление о молекулах. Мы можем изобразить атомы как бусинки, а молекулы как группы бусинок, подобно детским бусам, соединённым кусочками нитки. На самом деле, химики иногда представляют молекулы наглядно, строя модели из пластмассовых бусинок (некоторые из которых связаны в нескольких направлениях чем-то, подобным спицам в наборе Tinkertoy). Атомы имеют круглую форму подобно бусинам, и хотя молекулярные связи - не кусочки нитки, наша картинка, как минимум, даёт важное представление о том, что связи могут быть порваны и восстановлены.

Если атом был бы размером с маленький мраморный шарик, довольно сложная молекула была бы размером с кулак. Это даёт полезный мысленный образ, но на самом деле размер атома - около 1/10.000 размера бактерии, а размер бактерии - около 1/10.000 размера комара. (Размер ядра атома, однако, составляет около 1/100.000 размера самого атома; разница между атомом и ядром - это разница между огнем и ядерной реакцией).

Вещи вокруг нас действуют как они действуют в зависимости от того, как ведут себя их молекулы. Воздух не держит ни форму, ни объем, потому что молекулы двигаются свободно, сталкиваясь и отскакивая рикошетом в открытом пространстве. Молекулы воды держатся вместе в процессе перемещения, поэтому вода сохраняет постоянный объём в процессе изменения своей формы. Медь сохраняет свою форму, потому что её атомы связаны друг с другом в определённую структуру; мы можем согнуть её или ковать её, потому что её атомы скользят друг относительно друга, оставаясь при этом связанными вместе. Стекло разбивается, когда мы ударяем по нему молотком, потому что его атомы отделяются друг от друга раньше, чем начинают скользить. Резина состоит из цепочек перекрученных молекул, подобно клубку веревок. Когда её растягивают и отпускают, её молекулы распрямляются и сворачиваются опять. Эти простые молекулярные схемы образуют пассивные вещества. Более сложные схемы образуют активные наномашины живых клеток.

Биохимики уже работают с этими машинами, которые в основном состоят из белка - основного строительного материала живых клеток. Эти молекулярные машины имеют относительно немного атомов, и они имеют бугорчатую поверхность, подобно объектам, сделанным склеиванием вместе горстки мраморных шариков. Также многие пары атомов связаны связями, которые могут сгибаться и вращаться, поэтому белковые машины необычно гибки. Но подобно всем машинам, они имеют части различной формы и размеров, которые выполняют полезную работу. Все машины используют группы атомов в качестве своих частей. Просто белковые машины используют очень маленькие группы.

Биохимики мечтают о проектировании и создании таких устройств, но есть трудности, которые ещё необходимо преодолеть. Инженеры используют лучи света, чтобы наносить схемы на кремниевые чипы, но химики вынуждены использовать намного более сложные методы, чем этот. Когда они комбинируют молекулы в различных последовательностях, у них есть ограниченный контроль над тем, как молекулы соединяются. Когда биохимикам нужны сложные молекулярные машины, они по-прежнему должны заимствовать их из клеток. Однако продвинутые молекулярные машины, в конечном счете, позволят им строить наносхемы или наномашины так же просто и непосредственно, как сейчас инженеры строят микросхемы и моечные машины. После этого прогресс станет впечатляюще стремительным.

Генные инженеры уже показывают путь. Обычно, когда химики делают молекулярные цепи, называемые "полимерами", - они сваливают молекулы в сосуд, где они в жидкости сталкиваются и связываются случайным образом. Появляющиеся в результате цепи имеют различные длины, а молекулы связываются без какого-либо определённого порядка.

Но в современных машинах генного синтеза генные инженеры строят более организованные полимеры - специфические молекулы ДНК, соединяя молекулы в определённом порядке. Эти молекулы - нуклеотиды ДНК (буквы генетического алфавита), и генные инженеры не сваливают их все вместе. Вместо этого они заставляют машины добавлять различные нуклеотиды в определённой последовательности, чтобы составить определённую фразу. Вначале они связывают один тип нуклеотидов с концом цепи, потом они вымывают лишний материал и добавляют химические вещества, чтобы подготовить конец цепи к связыванию со следующим нуклеотидом. Они растят цепи, нанизывая нуклеотиды по одному за раз в запрограммированном порядке. Они прицепляют самый первый нуклеотид в каждой цепи к твёрдой поверхности, чтобы удержать цепь от размывания химической средой, в которой она находится. Таким образом, они заставляют большую неуклюжую машину собирать определённые молекулярные структуры из частей, которые в сотни миллионов раз меньше, чем она сама.

Но этот слепой процесс сборки случайно пропускает в некоторых цепях нуклеотиды. Вероятность ошибок растет, поскольку цепи становятся более длинными. Подобно рабочим, откладывающим в сторону плохие части перед сборкой автомобиля, генные инженеры уменьшают ошибки, отбраковывая плохие цепи. Далее, чтобы соединить эти короткие цепи в работающие гены (обычно длиной в тысячи нуклеотидов), они обращаются к молекулярным машинам, имеющимся в бактериях.

Эти белковые машины, называемые ферментами ограничения, интерпретируют некоторые последовательности ДНК как "резать здесь". Они считывают эти участки гена контактно, прилипая к ним, и они разрезают цепь, меняя порядок нескольких атомов. Другие ферменты соединяют части вместе, "читая" соответствующие части как "склеить здесь", аналогично "читают" цепи выборочным прилипанием и соединяют их, изменяя порядок нескольких атомов. Используя генные машины для чтения, а ферменты ограничения для разрезания и склеивания, генные инженеры могут написать и отредактировать любую фразу ДНК, которую захотят.

Но сама по себе ДНК - довольно бесполезная молекула. Она не является прочной как кевлар, не обладает цветом как красители, не активна подобно ферменту, все же она имеет нечто такое, что промышленность готова тратить миллионы долларов, чтобы это использовать, - способность направить молекулярные машины, называемые рибосомами. В клетках молекулярные машины вначале производят транскрипцию ДНК, копируя информацию с неё на "ленты" РНК. Далее, подобно старым машинам, управляемым цифровым кодом, записанным на ленте, рибосомы строят белки, основываясь на инструкциях, хранящихся на нитках РНК. А уже белки полезны.

Белки, подобно ДНК, походят на бугорчатые нити бусинок. Но в отличие от ДНК, молекулы белка сворачиваются, чтобы образовывать маленькие объекты, способные что-то делать. Некоторые - ферменты, машины, которые создают и разрушают молекулы (а также копируют ДНК, расшифровывают их и строят другие белки в этом же жизненном цикле). Другие белки - гормоны, связывающиеся с другими белками, чтобы давать сигналы клеткам изменять своё поведение. Генные инженеры могут производить эти объекты с небольшими затратами, направляя дешёвые и эффективные молекулярные машины внутрь живых организмов для выполнения этой работы. В то время как инженеры, управляющие химическим заводом, должны работать с цистернами реагирующих химических веществ (которые часто приводят атомы в беспорядок и выделяют вредные побочные продукты), инженеры, работающие с бактериями, могут заставлять их абсорбировать химические вещества, аккуратно изменяя порядок атомов, и сохранять продукт или высвобождать его в жидкость вокруг них.

Генные инженеры сейчас запрограммировали бактерии делать белки, от человеческого гормона роста до ренина, фермента, используемого при создании сыра. Фармацевтическая компания Eli Lilly (Индианаполис) сейчас продвигает на рынок Хьюмулин, молекулы инсулина человека, произведённые бактериями.
^ Существующие белковые машины
Эти гормоны белка и ферменты выборочно прилипают к другим молекулам. Фермент изменяет структуру цепи, затем идёт дальше; гормон воздействует на поведение цепи только пока оба остаются связанными вместе. Ферменты и гормоны могут быть описаны в терминах механики, но их поведение лучше о