Ксенобиология часть 114

Ксенобиология часть 114

Ксенобиология (от др.-греч. ;;;;; — «чужой, гость») — подраздел синтетической биологии, изучающий создание и управление биологическими устройствами и системами и описывающей биологические объекты, которые в настоящее время не знакомы науке и не встречается в природе.
1. Ксенобиология (от др.-греч. ;;;;; — чужой и -;;;;; — наука) — наука о чужеродных химических соединениях в живом организме и о вызываемых этими соединениями биологических реакциях.
2. Ксенобиология (от др.-греч. ;;;;; — чужой и -;;;;; — наука) — наука о формах жизни внеземного происхождения. Часто используется в качестве синонима астробиологии. Однако, в отличие от астробиологии, которая занимается поисками жизни на основе классических органических соединений, ксенобиология ищет более необычные формы жизни. Она включает в себя жизнь на неземлеподобных планетах, и на других небесных телах.

Квантовые компьютеры

По существу, судьба квантовой телепортации тесно связана с судьбой проектов по разработке квантовых компьютеров. Оба направления пользуются одними и теми же законами квантовой физики и одинаковыми технологиями, поэтому между ними идет постоянный и очень активный обмен идеями. Квантовые компьютеры, возможно, когда-нибудь полностью заменят на наших столах привычные цифровые компьютеры. Более того, однажды может оказаться, что от этих компьютеров зависит будущее мировой экономики, поэтому данные технологии представляют громадный коммерческий интерес. Новые технологии, созданные на базе квантовых технологий, придут на смену современным технологиям, и Силиконовая долина, вполне возможно, уйдет в прошлое вслед за столицами американского автопрома.
Обычные компьютеры считают в двоичной системе счисления и оперируют только нулями и единицами, которые называются битами. Но квантовые компьютеры гораздо мощнее. Они могут оперировать кубитами, или квантовыми битами, которые могут принимать и промежуточные между 0 и 1 значения. Представьте себе атом, помещенный в магнитное поле. Он крутится как волчок, и ось его вращения может указывать вверх или вниз. Здравый смысл говорит нам, что спин атома может быть направлен вверх или вниз, но никак не в обе стороны одновременно. Но в странном мире квантов атом описывается как сумма обоих этих состояний, как суперпозиция атома с положительным спином и атома с отрицательным спином. В нечеловеческом мире квантов каждый объект описывается как сумма всех возможных состояний. (Если вы хотите дать квантовое описание крупного объекта, например кошки, это означает, что вам придется сложить волновую функцию живой кошки с волновой функцией мертвой кошки, так что в результате получится кошка, одновременно мертвая и живая, о чем я расскажу подробнее в главе 13.)
Теперь представьте себе цепочку атомов, выстроенных в магнитном поле, так что спины всех атомов направлены в одну сторону. Если осветить эту цепочку атомов лазерным лучом, то луч отразится от атомов, перевернув при этом оси вращения некоторых из них. Измерив разницу между первоначальным и отраженным лазерными лучами, мы получим результат сложной квантовой вычислительной операции, которая представляет собой переворот осей вращения множества атомов.
Квантовые компьютеры еще не вышли из младенческого возраста. Максимум, что удалось пока посчитать квантовому вычислителю, — это 3 х 5 = 15. Едва ли можно считать это серьезной заявкой на вытеснение сегодняшних суперкомпьютеров. У квантовой телепортации и квантовых компьютеров один и тот же фатальный недостаток: необходимость поддерживать когерентность большого количества атомов. Решение этой проблемы привело бы к громадному рывку вперед в обеих областях.
ЦРУ и другие секретные организации проявляют к квантовым компьютерам активный интерес. Основой для большинства секретных кодов мира служит «ключ», представляющий собой очень большое целое число, который необходимо разложить на простые сомножители. И если ключ представляет собой произведение двух стозначных чисел, то цифровому компьютеру может потребоваться больше ста лет, чтобы найти эти два сомножителя, не имея никаких дополнительных данных. На данный момент такие коды можно считать практически не поддающимися взлому.
Но в 1994 г. Питер Шор из Лаборатории Белла показал, что для квантового компьютера разложение на множители было бы детской игрой. Понятно, что это открытие мгновенно подогрело интерес разведывательного сообщества. В принципе, квантовый компьютер способен был бы взломать все коды в мире и полностью разрушить систему безопасности современных компьютеров. Первая страна, которой удастся создать подобную систему, может рассчитывать на проникновение в глубочайшие тайны других стран и организаций.
Некоторые ученые предполагают, что в будущем мировая экономика может оказаться полностью зависимой от квантовых компьютеров. Ожидается, что цифровые компьютеры на базе кремниевых технологий достигнут физического предела — в смысле роста вычислительной мощности—где-то после 2020 г. И чтобы техника продолжала развиваться, потребуется, скорее всего, создавать новые, еще более мощные семейства вычислительной техники. Другие ученые надеются воспроизвести при помощи квантовых компьютеров мощь человеческого мозга.
Таким образом, ставки чрезвычайно высоки. Если удастся решить проблему когерентности, то нам, возможно, покорится не только телепортация. Не исключено, что квантовые компьютеры дадут нам возможность развивать самые разные технологии в неизвестных пока и слабо предсказуемых направлениях. Прорыв в этой области настолько важен, что в следующих главах я еще не раз вернусь к обсуждению данной темы.
Как я уже указывал, когерентность чрезвычайно трудно поддерживать в лаборатория. Даже самая слабая случайная вибрация способна нарушить когерентность двух атомов и свести на нет все усилия. Сегодня нам с трудом удается поддерживать когерентность хотя бы горстки атомов. Атомы, первоначально находившиеся «в фазе», начинают терять синхронность уже через несколько наносекунд; в лучшем случае они удерживаются в этом состоянии до секунды. Телепортацию необходимо проводить очень быстро, прежде чем атомы начнут терять синхронность, и это еще один ограничивающий фактор для квантовых вычислений и телепортации.
Несмотря на все препятствия, Дэвид Дойч из Оксфордского университета уверен, что эти проблемы можно решить: «Если повезет, при помощи последних теоретических достижений на создание [квантового компьютера] потребуется, возможно, куда меньше 50 лет... Это был бы совершенно новый способ обуздания природы».
Чтобы построить реальный квантовый компьютер, нам потребуется от сотен до миллионов атомов, колеблющихся в унисон; на сегодняшний день нам еще далеко до подобных достижений. Сейчас телепортация капитана Кирка была бы астрономически трудным делом. Для этого нам пришлось бы установить квантовую запутанность с копией-близнецом капитана Кирка. Даже с учетом нанотехнологий и новейших компьютеров трудно представить себе, как это можно сделать на практике.
Итак, на атомном уровне телепортация уже существует, и вполне возможно, что уже в течение нескольких ближайших десятилетий мы научимся телепортировать сложные и даже органические молекулы. А вот телепортации макроскопических объектов после этого придется ждать значительно дольше — от нескольких десятилетий до нескольких столетий, а то и больше, если эта процедура вообще возможна.
Поэтому телепортацию сложных молекул, может быть, даже вирусов или живых клеток, следует отнести к I классу невозможности, что означает: решения этой задачи следует ожидать еще в настоящем столетии. Но телепортация человека, хотя и не противоречит законам физики, вряд ли будет реализована в ближайшее время. На решение этой задачи — при условии, что решение вообще существует, — может потребоваться еще не одна сотня лет. Поэтому я бы отнес телепортацию такого рода ко II классу невозможности.

Как мы уже говорили, одна из целей нанотехнологии — научиться строить из атомов крошечные машины, способные исполнять функцию рычага, шестеренки, подшипника и блока. После создания этих наномашин многие физики мечтают научиться произвольно организовывать молекулы внутри объекта, переставлять в них атом за атомом, пока один предмет не превратится в другой. На этом принципе основаны «репликаторы», которые можно обнаружить во многих научно-фантастических произведениях; они могут изготовить любой желаемый предмет, стоит только попросить. В принципе репликатор мог бы избавить человечество от бедности и полностью изменить природу общества. Если можно.будет запросто получить любую вещь, то это перевернет с ног на голову все представления о потребностях и стоимости, а также об иерархии в человеческом обществе.
(Репликатор фигурирует, в частности, в одном из любимых моих эпизодов «Звездного пути» — в серии «Следующее поколение». В открытом космосе находят древнюю космическую капсулу XX в., а в ней замороженные тела людей, страдавших неизлечимыми заболеваниями. Тела быстренько оттаивают, людей вылечивают при помощи фантастической медицины. Один бизнесмен из оживших соображает, что за столько столетий вложенные им деньги должны были вырасти до неимоверных размеров, и спрашивает экипаж «Энтерпрайза» о своих инвестициях и деньгах. Члены экипажа в недоумении. Деньги? Инвестиции? У нас, в будущем, денег нет, отвечают они. Если тебе что-нибудь нужно, достаточно попросить.)
Как бы поразительно ни звучало описание репликатора, в природе он уже существует. «Принципиальная возможность» уже доказана. Природа берет сырье — мясо с овощами — и за девять месяцев сооружает из него человеческое существо. Чудо жизни — не что иное, как большая нанофабрика, способная на атомном уровне превращать вещество (к примеру, пищу) в живую ткань (младенца).
Чтобы построить нанофабрику, нужны три составляющих: строительные материалы, инструменты, которыми можно резать и соединять эти материалы; и чертежи, которыми следует руководствоваться при использовании инструментов и материалов. В природе строительными материалами служат тысячи аминокислот и протеинов, из которых строится живая плоть и кровь. Инструментами для резки и соединения — аналогами молотков и пил, необходимых для выстраивания протеинов в нужном порядке и превращения их в новые формы жизни, — служат рибосомы. Они приспособлены для того, чтобы разрезать протеины и вновь соединять их в определенных точках, создавая тем самым новые типы. Чертежи «устройства» задает молекула ДНК, где тайна жизни зашифрована через определенную последовательность нуклеиновых кислот. Эти три ингредиента объединены в клетке, которая обладает замечательной способностью к самовоспроизводству, т.е. умеет создавать копии самой себя. Это происходит благодаря тому, что по форме молекула ДНК напоминает двойную спираль. Когда приходит время размножаться, молекула ДНК раскручивается и разделяется на две независимые спирали. Каждая из двух ниток затем восстанавливает себя до полного двойного состояния, набирая вторую нитку спирали из отдельных органических молекул. Так получается копия молекулы ДНК.
До сих пор физикам лишь в небольшой степени удается повторить то, что в природе встречается на каждом шагу. Но ученые считают, что ключ к успеху — создание армии самовоспроизводящихся нанороботов, или наноботов, которые должны представлять собой программируемые атомные машины для перегруппировки атомов внутри объекта.
В принципе, если иметь триллионы наноботов, можно напустить их на объект с заданием переставить определенным образом его атомы и таким образом превратить один предмет в другой. Поскольку наноботы должны быть самовоспроизводящимися, то для начала процесса их потребуется не так уж много. Необходимо также, чтобы их можно было программировать — тогда они смогут работать по заданному чертежу.
Прежде чем построить первые флоты наноботов, придется преодолеть немало очень серьезных препятствий. Во-первых, самовоспроизводящийся робот построить чрезвычайно трудно даже на макроскопическом уровне. (Не надо забывать, что при современном уровне техники мы не способны изготавливать даже очень простые атомные инструменты, такие как атомный подшипник или шестеренка.) Даже имея компьютер и сколько угодно электронных деталей, очень непросто построить машину, которая умела бы создавать точные копии самой себя. Аесли это так трудно сделать руками, на столе, то что же говорить о строительстве подобной машины на атомном уровне!
Во-вторых, пока вообще неясно, как программировать армию наноботов извне. Предлагают, в частности, посылать радиосигнал, который должен будет активировать каждый нанобот. Может быть, наноботы можно облучить лазерным лучом, несущим в себе инструкции. Но это означало бы отдельный набор инструкций для каждого нанобота, которых может быть великое множество — триллионы!
В-третьих, неясно, как именно нанобот должен отрезать, переставлять с места на место и склеивать атомы в нужном порядке. Не будем забывать, что природе на решение этой проблемы потребовалось 3,5 млрд лет, поэтому вряд ли можно надеяться решить ее всего за несколько десятилетий.
Нил Гершенфелд из Массачусетского технологического института — один из тех физиков, кто серьезно относится к идее репликатора, или «персонального производителя». Он даже преподает в MIT курс под названием «Как сделать (почти) что угодно», один из самых популярных в университете. Гершенфелд руководит в MIT Центром битов и атомов и всерьез размышляет о физических принципах, на базе которых можно было бы соорудить репликатор, — он считает, что именно это устройство послужит толчком для следующей технологической революции. Он даже написал книгу под названием «Грядущая революция на вашем столе — от персональных компьютеров к персональным репликаторам» (FAB: The Coming Revolution on Your Desktop — From Personal Computers to Personal Fabrication); в ней ученый подробно изложил свои взгляды на проблему персонального производства. Он считает, что наша цель — «сделать одну машину, которая сможет сделать любую машину», и уже успел основать для распространения своих идей сеть лабораторий по всему миру, преимущественно в странах третьего мира, где персональное производство принесло бы максимальную пользу.
Гершенфелд считает, что первоначально должен появиться универсальный фабрикатор, достаточно маленький, чтобы поместиться на столе, созданный с использованием последних достижений лазерной техники и микроминиатюризации; это устройство сможет резать, соединять и придавать форму любым объектам, которые можно показать на экране компьютера. К примеру, представим себе, что беднякам в странах третьего мира требуются орудия труда и сельскохозяйственные машины. Эту информацию загружают в компьютер, имеющий доступ к размещенной в Интернете обширной библиотеке чертежей и технической информации. Там компьютерная программа подберет из готовых разработок то, что удовлетворяет требованиям заказчика, обработает эту информацию и отправит ее по электронной почте обратно. Затем персональный фабрикатор запустит свои лазеры и миниатюрные резаки и прямо на столе изготовит желаемый предмет.
Это еще не все. Универсальный персональный завод — только первый шаг. Со временем Гершенфелд хочет перенести свою идею на молекулярный уровень — и тогда с помощью его аппарата человек будет в состоянии изготовить буквально любой объект, какой только можно вообразить в деталях. Однако прогресс в этом направлении идет очень медленно, потому что манипулировать отдельными атомами очень сложно.
Материал подготовлен на основе информации открытых источников.