Священный Грааль: репликатор

К 2100 г. самые смелые сторонники нанотехнологий предсказывают появление еще более мощной машины: речь идет о молекулярном сборщике, или «репликаторе», способном сотворить любую вещь. Это будет машина размером, скажем, со стиральную. В нее надо будет заложить сырье и нажать на кнопку. Многие триллионы наноботов тут же набросятся на сырье и разберут его на молекулы, а затем соберут из этих молекул совершенно новый объект. Репликатор сможет изготовить любую вещь; он станет высшим достижением науки и инженерной мысли, достойным завершением усилий, начатых в доисторические времена, когда человек поднял с земли палку и впервые использовал ее как орудие труда.

Одна из проблем создания репликатора — громадное число атомов, которые надо будет расставить по местам, чтобы скопировать даже небольшой объект. В человеческом теле, к примеру, более 50 трлн клеток и более 1026 атомов. Это колоссальное число, даже для простого хранения информации о местоположении всех этих атомов потребуется огромный объем памяти.

Эту проблему могло бы решить создание специального нанобота — гипотетического на данный момент молекулярного робота, обладающего несколькими ключевыми свойствами. Во-первых, он должен быть способен воспроизводить себя. Если робот может воспроизвести себя один раз, он в принципе может и создать неограниченное число собственных копий. Так что главное — создать первого наноробота. Во-вторых, этот робот должен уметь распознавать молекулы и разрезать их в нужных местах. В-третьих, он должен уметь собирать из атомов новые молекулы по заданной схеме. Таким образом, задача реорганизации 1026 атомов сводится к изготовлению такого же количества наноботов, запрограммированных на работу с отдельным атомом. Если это удастся сделать, огромное число атомов в теле или объекте уже не будет непреодолимым препятствием. Настоящая проблема — создать всего одного мифического нанобота с перечисленными свойствами и позволить ему размножиться самостоятельно.

Однако научное сообщество пока не пришло к единому выводу относительно физической реализуемости этой великолепной мечты — нанофабрикатора. Немногие, такие как Эрик Дрекслер (Eric Drexler), пионер нанотехнологий и автор книги «Двигатели созидания», считают, что в будущем все вещи будут производиться на молекулярном уровне. Практически нужные вещи, даже те, о которых сегодня мы можем только мечтать, будут сыпаться как из рога изобилия. Создание машины, способной сделать все что угодно, перевернет устои общества с ног на голову. Однако другие ученые настроены более скептично.

К примеру, нобелевский лауреат Ричард Смолли, ныне покойный, в статье в журнале Scientific American в 2001 г. поднял вопрос о «липких» и «толстых» пальцах. Ключевой вопрос здесь такой: можно ли построить молекулярный нанобот, достаточно ловкий, чтобы произвольно переставлять молекулы? По мнению Смолли, ответ на этот вопрос должен быть отрицательным.

Дебаты на данную тему выплеснулись наружу и стали публичными, а их отголоски слышны и сегодня. Смолли обменялся с Дрекслером серией писем, которые в 2003 и 2004 гг. были перепечатаны на страницах журнала Chemical and Engineering News. Позиция Смолли состояла в том, что «пальцы» молекулярной машины не смогут выполнять требуемые тонкие операции по двум причинам.

Во-первых, на «пальцы» будут действовать слабые силы притяжения, из-за которых инструмент будет прилипать к молекулам. Вообще, атомы липнут друг к другу, в частности, из-за слабых электрических сил, таких как сила Ван-дер-Ваальса, существующая между их электронами. Представьте себе процедуру починки наручных часов при помощи пинцета, смазанного медом. Собрать подобным инструментом такую тонкую вещь, как механизм часов, попросту невозможно. А теперь представьте процедуру сборки еще более сложной и тонкой вещи, такой как молекула, из «деталей», которые постоянно липнут к инструменту.

Во-вторых, «пальцы» нанобота могут оказаться слишком «толстыми» для манипуляций с атомами. Представьте себе ремонт все тех же часов в толстых рабочих перчатках строителя. «Пальцы» нанобота, как и объекты, которыми предполагается манипулировать, сделаны из отдельных атомов, и инструмент может оказаться слишком толстым и грубым для проведения необходимых тонких операций.

Смолли завершил свои аргументы так: «Примерно так же, как нельзя заставить юношу и девушку полюбить друг друга, просто сведя их вместе, невозможно заставить тонкий химический процесс между двумя молекулярными объектами протекать желаемым образом при помощи простого механического действия… Химия, как и любовь, дело тонкое».

Этот спор затрагивает самую суть вопроса о том, станет ли когда-нибудь репликатор революционной вехой в истории общества либо останется любопытной диковинкой и отправится рано или поздно на свалку нереализуемых технических идей. Как мы уже видели, физические законы нашего мира не так-то просто перевести на язык физики наномира. Эффекты, которыми мы с легкостью пренебрегаем, такие как сила Ван-дер-Ваальса, поверхностное натяжение жидкости, принцип неопределенности Гейзенберга и т.д., в наномире становятся главными.

Чтобы представить себе масштабы проблемы, вообразите атомы размером с шарик для детской игры и бассейн, полный таких шариков-атомов. Погружение в подобный бассейн будет совсем не похоже на погружение в воду. «Шарики» станут непрерывно вибрировать и биться о ваше тело со всех сторон — результат броуновского движения. Плавать в таком бассейне будет почти невозможно, все равно что плавать в патоке. При попытке схватить один из шариков он, из-за сложной комбинации различных сил, либо ускользнет от ваших пальцев, либо прочно прилипнет к ним.

В конце концов ученые согласились остаться каждый при своем мнении. Смолли не удалось отправить идею молекулярного репликатора в нокаут, но после этой научной схватки, когда пыль немного улеглась, кое-что все же прояснилось. Во-первых, стороны согласились, что наивная идея о наноботе, разрезающем и склеивающем молекулы при помощи молекулярного пинцета, нуждается в переработке. На атомном уровне главенство переходит к новым квантовым силам.

Во-вторых, хотя репликатор, или универсальный производитель, на сегодняшний день остается фантастикой, в реальности-то он существует! К примеру, мать-природа умеет превратить съеденные гамбургеры и овощи в младенца всего за девять месяцев. Занимаются этим ДНК-молекулы (в которых хранится «чертеж» младенца); они управляют действиями рибосом (которые, собственно, режут и склеивают молекулы в заданном порядке) и используют в качестве строительного материала белки и аминокислоты, поступающие с пищей.

И в-третьих, молекулярный сборщик мог бы, в принципе, работать, но в более сложном варианте. К примеру, Смолли указывал, что сблизить два атома не означает добиться реакции между ними. Природа для решения этой проблемы часто привлекает третью силу — водный раствор фермента, способного стимулировать нужную химическую реакцию. Смолли указывал также, что многие химические вещества, используемые в компьютерах и электронной промышленности, не растворяются в воде. Но Дрекслер в ответ возражал, что не для всех химических реакций нужны ферменты или вода.

К примеру, один из возможных вариантов получил название самосборки; в робототехнике он соответствует подходу «снизу вверх». Человек с глубокой древности использовал в строительстве противоположный подход — «сверху вниз». Он брал инструменты, такие как молоток или пила, и начинал заготавливать дерево: рубить, пилить, тесать; затем из заготовленных материалов собирал по плану более крупные структуры, такие как дом. Этот процесс требует тщательного контроля на каждом этапе.

При подходе «снизу вверх» объекты собираются сами по себе. В природе, к примеру, чудесные снежинки кристаллизуются сами во время снегопада или метели. Многие триллионы атомов сами организуются в новые формы. Никто не придумывает узоры для снежинок. То же нередко происходит и в биологических системах. Так, бактериальные рибосомы — сложные молекулярные системы, содержащие по крайней мере 55 различных белковых молекул и несколько молекул РНК, — способны спонтанно образоваться в лабораторной пробирке.

Самосборка применяется и в полупроводниковой промышленности. Используемые в транзисторах компоненты иногда собираются воедино сами по себе. Применяя различные сложные технологии и процессы в определенной строгой последовательности (такие, как быстрое охлаждение, кристаллизация, полимеризация, осаждение из паровой фазы, отверждение и т.п.), можно получить достаточно широкий спектр готовых компьютерных компонент. Как мы уже видели, таким способом можно получить определенные типы наночастиц, используемые против раковых клеток.

Однако в большинстве своем предметы не спешат возникать из ничего сами по себе. В целом можно сказать, что лишь крохотная часть наноматериалов показала способность к корректной самосборке. Посредством самосборки невозможно получить наномашину на заказ, выбрав по каталогу. Так что прогресс в производстве наномашин таким образом будет, вероятно, стабильным, но медленным.

Суммируем сказанное. Судя по всему, молекулярные сборщики не нарушают никаких законов природы, но создать их будет чрезвычайно трудно. Пока наноботов не существует, и в ближайшее время они не появятся, но как только (и если) первый нанобот будет успешно изготовлен, человеческое общество, вполне возможно, изменится до неузнаваемости.