Страница:
Где дело касается налогов, трансфертных платежей и сражений в суде, больше для одного все еще значит меньше для другого. Мы увеличиваем общее богатство медленно, а перераспределяем его стремительно. В любой данный день наши ресурсы кажутся постоянными, и это вызывает иллюзию, что жизнь – это жизнь с нулевой суммой. Эта иллюзия подсказывает, что широкая кооперация бессмысленна, потому что наш выигрыш должен следовать из проигрыша какого-либо противника.
История прогресса человечества доказывает, что мировая игра может быть с положительной суммой. Ускорение экономического роста за последние века показывает, что богатый может стать богаче, в то время как бедный становится тоже более богатым. Несмотря на прирост населения (и идее относительно деления постоянного пирога), среднее богатство на человека по всему миру, включая страны третьего мира, устойчиво становится больше. Экономические колебания, повороты вспять местного значения, и естественная тенденция средств массовой информации фокусироваться на плохих новостях – всё это объединяется, чтобы затемнить факт экономического роста, но общедоступные данные показывают это с достаточной очевидностью. Космические ресурсы и самовоспроизводящиеся ассемблеры ускорят эту историческую тенденцию выше мечтаний экономистов, запуская человечество в новый мир.
Глава 7. МАШИНЫ ИСЦЕЛЕНИЯ
Жизнь, разум и машины
От лекарств к машинам ремонта клеток
Машины ремонта клеток
Некоторые примеры излечения
Анестезия плюс
От Функции к структуре
От лечения болезни к установлению здоровья
Болезнь по имени «старение»
МЫ БУДЕМ ИСПОЛЬЗОВАТЬ молекулярную технологию, чтобы принести здоровье, потому что человеческое тело сделано из молекул. Больные, старые и раненные – все страдают того, что атомы устроены в неправильные структуры, которые появились будь то из-за вторжения вирусов, прошествия времени или свернувших с дороги автомобилей. Устройства, способные переупорядочить атомы будут способны устанавливать их в правильное положение. Нанотехнология принесёт фундаментальный прорыв в медицине.
Сейчас врачи полагаются в основном на хирургию и лекарства для лечения болезни. Хирурги продвинулись от зашивания ран и ампутации конечностей к восстановлению сердца и пришиванию конечностей. С использованием микроскопов и точных инструментов, они соединяют тонкие сосуды крови и нервы. Однако даже самый лучший микрохирург не может разрезать и сшить более тонкие структуры ткани. Современные скальпели и нити для сшивания ран просто слишком грубы для починки капилляров, клеток и молекул. Рассмотрите «тонкую» хирургию с клеточной перспективы: вонзается огромное лезвие, разрубая вслепую мимо и через молекулярные механизмы огромного количества клеток, убивая при этом тысячи. Затем огромный обелиск ныряет сквозь разделённые толпы клеток, протаскивая за собой кабель, широкий как товарный поезд, чтобы связать эти толпы клеток снова. С клеточной перспективы, даже самая тонкая хирургия, выполняемая самыми тонкими скальпелями и с величайшим мастерством, всё же ещё работа мясника. Только способность клеток изолировать мёртвые, перегруппировываться и размножаться делает лечение возможным.
Однако как слишком хорошо знают многие парализованные жертвы несчастных случаев, не все ткани заживают.
В отличие от хирургии, лекарственная терапия имеет дело с самыми тонкими структурами в клетках. Молекулы лекарств – простые молекулярные устройства. Многие воздействуют на специфические молекулы в клетках. Молекулы морфия, например, связываются с определёнными рецепторными молекулами в мозговых клетках, воздействуя на нейронные импульсы, которые сигнализируют о боли. Инсулин, бета-блокираторы и другие лекарства соответствуют другим рецепторам. Но молекулы лекарств действуют без направления. Будучи один раз введёнными в тело, они толкаются и ударяются везде в растворе случайным образом до тех пор, пока они не ударятся в целевую молекулу, окажутся соответствующими и прилипнут, воздействуя на её функцию.
Хирурги могут видеть проблемы и планировать действия, но у них имеются грубые инструменты; молекулы лекарств воздействуют на ткани на молекулярном уровне, но они слишком просты, чтобы ощущать, планировать и действовать. Но молекулярные машины, управляемые нанокомпьютерами предложат врачам иную альтернативу. Они объединят датчики, программы и молекулярные инструменты, чтобы образовывать системы, способные исследовать и восстанавливать элементарные компоненты отдельных клеток. Они дадут хирургический контроль в молекулярную область.
Эти продвинутые молекулярные устройства появятся лишь через годы, но исследователи, мотивируемые потребностями медицины, уже изучают молекулярные машины и молекулярный инжиниринг. Лучшие лекарства воздействуют на определенные молекулярные машины определенными способами. Пенициллин, например, убивает некоторые бактерии, предотвращая работу наномашин, которые бактерии используют для постройки стенок своей клетки, и при этом он почти не воздействует на человеческие клетки.
Биохимики изучают молекулярные машины, чтобы и научиться, как их строить, и научиться как их разрушать. Во всем мире (и особенно в странах третьего мира) отвратительное разнообразие вирусов, бактерий, простейших, грибов, и червей паразитируют на человеческой плоти. Подобные пенициллину, безопасные эффективные лекарства от этих болезней нейтрализовали бы молекулярные машины, оставляя молекулярные машины человека нетронутыми. Доктор Сеймур Соген, профессор фармакологических наук из SUNY (Стони Брук, Нью-Йорк) утверждает, что биохимики должны систематически изучать молекулярные машины этих паразитов. Как только биохимики определили форму и функцию жизненно важной белковой машины, в большом числе случаев они могут разработать молекулу, сделанную так, чтобы блокировать её действие и разрушать её. Такие лекарства могли бы освободить человечество от таких древних ужасов как schistosomiasis и проказа, и от таких новых как СПИД.
Фармацевтические компании уже переделывают молекулы, основываясь на знании того, как они работают. Исследователи компании Апджон разработали и сделали измененные молекулы вазопрессина – гормона, который состоит из короткой цепи аминокислот. Вазопрессин усиливает работу сердца и снижает скорость, с которой почки вырабатывают мочу; это увеличивает кровяное давление. Исследовании разработали модифицированные молекулы вазопрессина, которые воздействуют на молекулы-рецепторы в почках в большей степени, чем на молекулы-рецепторы в сердце, придавая им более специфический и контролируемый медицинский эффект. Ещё более недавно, они разработали модифицированные молекулы вазопрессина, которые присоединяются к рецепторным молекулам почек, не оказывая прямого эффекта, таким образом блокируя и подавляя действие естественного вазопрессина.
Потребности медицины будут двигать эту работу вперед, мотивируя исследователей предпринимать дальнейшие шаги по проектированию белка и молекулярному инжинирингу. Давление и медицинских, и военных, и экономических факторов толкают нас в одном и том же направлении. Ещё даже до ассемблерной революции молекулярная технология будет давать нам впечатляющие успехи в медицине; тенденции в биотехнологии это гарантируют. Однако, эти успехи будут в целом постепенными и труднопредсказуемыми, и каждое будет использовать своё небольшое поле в биохимии. Далее, когда мы применим ассемблеры и системы технического ИИ к медицине, мы получим широкие способности, которые легче предвидеть.
Чтобы понять эти способности, рассмотрим клетки и их механизмы самовосстановления. В клетках вашего тела, естественные радиация и вредные химические вещества расщепляют молекулы, производя химически активные молекулярные фрагменты. Они могут ошибочно присоединяться к другим молекулам в процессе, называемом перекрёстным связыванием. Также как шарики и капельки клея повредили бы машину, так же радиация и химически активные фрагменты повреждают клетку, и разрушая молекулярные машины и склеивая их.
Если ваши клетки не могли бы восстанавливать себя, повреждение быстро убило бы их или сделало бы их неконтролируемыми, повреждая их системы управления. Но эволюция благоприятствовала организмам с машинами, способными что-то делать с этой проблемой. Самовоспроизводящаяся производственная система, описанная в главе 4, чинила себя путём замены повреждённых частей; клетки делают то же самое. До тех пор, пока клеточная ДНК сохраняется неповреждённой, она может производить безошибочные ленты, которые направляют рибосомы на сборку новых белковых машин.
К нашему сожалению, сама ДНК повреждается, что ведёт к мутациям. Ремонтирующие ферменты до некоторой степени компенсируют повреждения ДНК, обнаруживая и восстанавливая некоторые их виды. Такой ремонт помогает клеткам выживать, но существующие механизмы ремонта слишком просты, чтобы исправлять все проблемы, будь то в ДНК или где-то ещё. Ошибки накапливаются, внося свой вклад в старение и смерть клеток, а также самих людей.
Но словарное определение «холизма» – ""теория, что действительность составлена из органичных или объединенных целых, которые есть больше, чем простая сумма их частей." "Это, конечно, применяется к людям: просто сумма наших частей, без разума и жизни, походила бы на гамбургер.
Человеческое тело включает приблизительно 10 22
белковых частей, и ни одна машина такой сложности не заслуживает ярлыка «просто». "Любое краткое описание такой сложной система не может не быть весьма неполным, однако на клеточном уровне описание в терминах машин смысл имеет. Молекулы имеют простые движущиеся части, многие из которых действуют подобно знакомому роду машин. Клетки, рассматриваемые как целое, могут казаться менее механическими, однако биологи находят полезным описать их в терминах молекулярных машин.
Биохимики раскрыли то, что когда-то было главными тайнами жизни, и начали заполнять детали. Они проследили, как молекулярные машины расщепляют молекулы пищи на их составные части и затем повторно собирают эти части, чтобы строить и обновлять ткани. Многие детали структуры человеческих клеток остаются неизвестными (отдельные клетки содержат миллиарды больших молекул тысяч различных видов), но биохимики нанесли на карту каждую часть некоторых вирусов. Биохимические лаборатории часто вешают на стену огромную диаграмму, показывающую, как основные молекулярные строительные блоки плавают внутри бактерии. Биохимики понимают в деталях многое из жизненных процессов, а то, что они не понимают по-видимому действует по тем же самым принципам. Тайна наследственности превратилась в индустрию генной инженерии. Даже эмбриональное развитие и память сейчас объясняются в терминах изменения в биохимии и клеточной структуре.
В последние десятилетия само качество нашего остающегося незнания изменилось. Когда-то, биологи смотрели на жизненный процесс и спрашивали: "Как это может быть?" "Но сегодня они понимают общие принципы жизни, и когда они изучают специфический жизненный процесс, они обычно спрашивают: "Из многих способов, как это может быть, какой выбрала природа?" Во многих случаях их исследования сузили конкурирующие объяснения в какой-либо области до одного. Определённые биологические процессы – координация клеток для образования растущего эмбриона, обучающегося мозга и реагирующей иммунной системы – всё ещё представляют серьёзную задачу для воображения. Однако это не потому, что есть какая-то глубокая тайна в том, как работают их части, но из-за громадной сложности того, как их многие части взаимодействуют друг с другом, чтобы образовывать целое.
Клетки подчиняются тем же самым естественным законам, которые описывают и остальную часть мира. Белковые машины в правильном молекулярном окружении будут работать, остаются ли они в функционирующей клетке или эта клетка была ли размолота и размыта многие дни назад. Молекулярные машины ничего не знают о «жизни» и "смерти".
Биологи, когда им нужно, иногда определяют жизнь как способность расти, воспроизводиться и реагировать на раздражители. Но по этому стандарту, глупая система самовоспроизводящихся фабрик могла бы квалифицироваться как жизнь, в то время как сознательный искусственный интеллект, смоделированный на человеческом мозге мог бы так не квалифицироваться. Являются ли вирусы живыми или они «просто» очень совершенные молекулярные машины? Никакой эксперимент не может об этом сказать, потому что природа не проводит никакой линии между живым и неживым. Биологи, которые работают с вирусами, вместо этого задают вопрос о жизнеспособности: "Будет ли этот вирус функционировать, если ему дать возможность?" Ярлыки «жизнь» и «смерть» в медицине зависят от медицинских возможностей: врачи спрашивают: "Будет ли пациент функционировать, если мы приложим все усилия?" Когда-то врачи объявляли пациентов мёртвыми как только останавливалось сердце; теперь они объявляют пациентов мёртвыми, когда они теряют надежду на восстановление мозговой деятельности. Успехи в кардиологии когда-то изменили определение; успехи в медицине мозга изменят его ещё раз.
Также некоторые люди чувствуют себя некомфортно с идеей, что машины лежат в основе нашего мышления. Слово «машина» снова, кажется, вызывает неправильный образ – картину чего-то большого, гремящего металлом, а не мерцание сигналов вдоль бегущей волны или нейронным волокнам, по живой ткани, более сложной чем способен полностью понять разум, который она воплощает. Действительно подобные машинам машины мозга имеют размер молекул – меньше, чем самые тонкие волокна.
Целое не обязательно должно походить на свои части. Твёрдый кусок чего-нибудь едва ли походит на танцующий фонтан, однако совокупность твердых, бугристых молекул образует текучую воду. Подобным образом миллиарды молекулярных машин образуют нейронные волокна и синапсы, тысячи волокон и синапсов образуют нервную клетку, миллиарды нервных клеток образуют мозг, а сам мозг воплощает текучесть мысли.
Сказать, что разум – это "всего лишь "молекулярные машины" " – подобно высказыванию, что Мона Лиза является "только мазками краски. "Такие утверждения путают части с целым, и путают материю со структурой, которую материя воплощает. Мы нисколько не менее человечны из-за того, что сделаны из молекул.
С инструментами, подобными дизассемблерам, биологи будут способны изучить структуры клетки до конца, до молекулярных деталей. Далее они занесут в каталог сотни тысяч видов молекул тела и построят карту структуры сотен видов клеток. Во многом также как инженеры могли составлять перечень частей и создавать инженерные чертежи автомобиля, также биологи опишут части и структуры здоровой ткани. К тому времени им будут помогать сложные системы технического ИИ.
Врачи стремятся сделать ткани здоровыми, но с помощью лекарств и хирургии, они могут только стимулировать ткани себя восстанавливать. Молекулярные машины дадут возможность более непосредственного ремонта, начиная новую эру в медицине.
Чтобы починить автомобиль, механик сначала добирается до дефектного узла, затем опознает и удаляет плохие части, и наконец их восстанавливает или заменяет. Ремонт клетки будет включать те же самые основные задачи – задачи, которые живые системы уже доказали, что они возможны.
Доступ. Белые клетки крови покидают кровяное русло и движутся через ткань, а вирусы входят в клетки. Биологи даже втыкают в клетки иглы, и это их не убивает. Эти примеры показывают, что молекулярные машины могут добираться и входить в клетки.
Распознавание. Антитела и волокна хвоста фага T4, а на самом деле все специфические биохимические взаимодействия, показывают, что молекулярные системы, входя в контакт с другими молекулами, могут их распознавать.
Разборка. Пищеварительные ферменты (и другие, более жестокие химические вещества) показывают, что молекулярные системы могут разбирать поврежденные молекулы.
Восстановление. Воспроизводящиеся клетки показывают, что молекулярные системы могут строить или восстанавливать любую молекулу, обнаруживаемую в клетке.
Повторная сборка. Природа также показывает, что отделенные молекулы могут быть собраны вместе снова. Например, механизмы фага T4 собирают сами себя из раствора, чему, очевидно, помогает единственный фермент. Воспроизводящиеся клетки показывают, что молекулярные системы могут собирать любую из систем, обнаруживаемых в клетке.
Таким образом, природа демонстрирует все основные операции, необходимые, чтобы выполнять ремонт клеток на молекулярном уровне. Что более важно, как я описал в главе 1, системы, основанные на наномашинах, будут большей частью более компактны и обладать большими возможностями, чем обнаруживаемые в природе. Естественные системы показывают только нижние границы возможного в ремонте клеток, также как и во всём остальном.
Машины ремонта клеток будут сопоставимы по размеру с бактериями и вирусами, но их более компактные части ""позволят им быть более сложными. Они будут проходить через ткань, как это делают белые клетки крови, и входят в клетки, как это делают вирусы, или они могли бы открывать и закрывать клеточные мембраны с хирургической аккуратностью. Внутри клетки машина ремонта первым делом составит представление о ситуации, исследуя содержимое клетки и её функционирование, а далее будет предпринимать действия. Первые машины ремонта клеток будут высоко специализированными, способными распознавать и исправлять только один тип молекулярных нарушений, таких как дефицит ферментов или форма повреждения ДНК. В дальнейшем (но не намного позже, так как продвинутые системы технического ИИ будут выполнять работы по разработке) машины будут программироваться более общими способностями.
Для сложных машин ремонта будут нужны нанокомпьютеры, чтобы ими управлять. Механический компьютер шириной в микрон, такой как описан в главе 1, будет умещаться в 1/1000 объема средней клетки, однако будет вмещать больше информации, чем клеточная ДНК. В системе ремонта, такие компьютеры будут управлять более маленькими и простыми компьютерами, которые в свою очередь будут управлять машинами, направляя их на исследование, разборку и перестройку повреждённых молекулярных структур.
Отрабатывая молекулу за молекулой и структуру за структурой, машины ремонта будут способны восстанавливать целые клетки. Отрабатывая клетку за клеткой и ткань за тканью, они (с помощью больших устройств, там, где это необходимо) будут способны восстанавливать целые органы. Отрабатывая орган за органом по всему телу, они восстановят здоровье. Так как молекулярные машины будут способны строить молекулы и клетки с нуля, они будут способны исправлять даже клетки, повреждённые до степени полной неработоспособности. Таким образом с машинами ремонта клеток произойдёт фундаментальный прорыв: они освободят медицину от необходимости полагаться на самовосстановление как единственный способ лечения.
Чтобы представить себе продвинутую машину ремонта клеток, представьте себе её и клетку увеличенными так, что атомы станут размером с маленький мраморный шарик. В этом масштабе самые маленькие инструменты машин ремонта будут примерно с кончики ваших пальцев; белок среднего размера, такой как гемоглобин, будет размером с печатающую машинку; а рибосома будет размером со стиральную машину. Устройство ремонта содержит простой компьютер размером с небольшой трактор, и условия для хранения информации и приводящей в движение энергии. Объём в десять метров в диагонали – размер 3-этажного дома, содержит все эти части и более этого. С частями размером с мраморные шарики, умещённые в этот объём, машины ремонта смогут делать сложные вещи.
Но такое ремонтное устройство не работает в одиночестве. Оно, также как многие его братья и сёстры, связано с большим компьютером посредством механических связей для передачи данных, диаметром как ваша рука. В этом масштабе, компьютер размером в кубический микрон с большой памятью заполнит объем в тридцать этажей в высоту и шириной как футбольное поле. Ремонтные устройства передают ему информацию, а он предаёт обратно общие инструкции. Объекты такие большие и сложные тем не менее достаточно маленькие: в этом масштабе сама клетка будет длинной в километр, вмещая в себе тысячи объёмов компьютеров размером в один кубический микрон, и миллионы раз вмещая в себе объём отдельного ремонтного устройства. В клетках много места!
Будут ли такие машины способны делать все необходимое для восстановления клеток? Существующие молекулярные машины демонстрируют способность проходить через ткани, входить в клетки, распознавать молекулярные структуры, и т. д., но остальные требования также важны. Будут ли машины ремонта работать достаточно быстро? Если они будут, будут ли они расходовать настолько много энергии, что изжарят пациента?
Самый обширный ремонт не может требовать значительно большего количества работы чем создание клетки с нуля. Однако молекулярные машины, работающие в пределах объёма клетки всё время делают именно это, строя новую клетку за время от десятков минут (для бактерий) до нескольких часов (для млекопитающих). Это показывает, что машины ремонта, занимающие несколько процентов от объёма клетки будут способны выполнить обширный ремонт за разумное время – дни или, самое большее, недели. Клетки могут выделить необходимое пространство. Даже клетки мозга всё ещё функционируют, когда мёртвый продукт жизнедеятельности, называемый липофускином (очевидно, продукт молекулярного повреждения клеток) заполняет более десяти процентов от их объёма.
Снабжать энергией устройства ремонта будет несложно: клетки естественным образом содержат химические вещества, которые дают энергию наномашинам. Природа также показывает, что машины ремонта можно охлаждать: в вашем теле клетки постоянно себя переделывают, и молодые животные стремительно растут, не изжаривая себя выделяемым теплом. Чтобы распорядиться теплом от подобного уровня активности ремонтных машин, потеть не придётся, а если даже и придётся, то не слишком сильно, если неделя потения – это цена здоровья.
Все эти сравнения машин ремонта с существующими биологическими механизмами поднимают вопрос того, будут ли машины ремонта способными улучшить нашу природу. Ремонт ДНК даёт ясную иллюстрацию.
Также, как неграмотная ""машина по ремонту книг" "могла бы распознавать и восстанавливать порванную страницу, также ферменты ремонта клетки могут распознавать и восстанавливать разрывы и перекрёстное связывание в ДНК. Исправление ошибок записи (или мутаций), тем не менее, требовало бы способности читать. В природе не существует таких машин ремонта, но их будет легко построить. Представьте себе три идентичные молекулы ДНК, каждая из которых содержит одну и ту же последовательность нуклеотидов. Теперь представьте себе что в каждой нити произведены мутации так, что случайным образом изменен порядок нескольких нуклеотидов. Каждая нить всё ещё кажется нормальной, если её взять саму по себе. Тем не менее машина ремонта могла бы сравнить каждую нить с другой, один сегмент за другим, и могла бы заметить, когда нуклеотид не соответствует своей паре. Заменяя неправильные нуклеотиды так, чтобы они соответствовали двум остальным таким образом исправит повреждение.
Этот метод не будет работать, если две нити мутируют в одном и том же месте. Представьте, что ДНК трех человеческих клеток были тяжело повреждены – после тысяч мутаций в каждой клетке один нуклеотид на миллион был изменён. Шанс, что наша трёх-ниточная процедура коррекции не сможет помочь делу в любой данной точке примерно один из миллиона миллионов. Но сравните пять ниток сразу и шансы станут один на миллион миллионов миллионов и т. д. Устройство, которое сравнивание множество нитей сделает возможность существования неисправимых ошибок практически нулевой.
История прогресса человечества доказывает, что мировая игра может быть с положительной суммой. Ускорение экономического роста за последние века показывает, что богатый может стать богаче, в то время как бедный становится тоже более богатым. Несмотря на прирост населения (и идее относительно деления постоянного пирога), среднее богатство на человека по всему миру, включая страны третьего мира, устойчиво становится больше. Экономические колебания, повороты вспять местного значения, и естественная тенденция средств массовой информации фокусироваться на плохих новостях – всё это объединяется, чтобы затемнить факт экономического роста, но общедоступные данные показывают это с достаточной очевидностью. Космические ресурсы и самовоспроизводящиеся ассемблеры ускорят эту историческую тенденцию выше мечтаний экономистов, запуская человечество в новый мир.
Глава 7. МАШИНЫ ИСЦЕЛЕНИЯ
Одна из того, что отличает наше от всех предыдущих поколений – это то, что мы видели атомы, из которых состоим.
КАРЛ К. ДАРРОУ, Ренессанс Физики
Жизнь, разум и машины
От лекарств к машинам ремонта клеток
Машины ремонта клеток
Некоторые примеры излечения
Анестезия плюс
От Функции к структуре
От лечения болезни к установлению здоровья
Болезнь по имени «старение»
МЫ БУДЕМ ИСПОЛЬЗОВАТЬ молекулярную технологию, чтобы принести здоровье, потому что человеческое тело сделано из молекул. Больные, старые и раненные – все страдают того, что атомы устроены в неправильные структуры, которые появились будь то из-за вторжения вирусов, прошествия времени или свернувших с дороги автомобилей. Устройства, способные переупорядочить атомы будут способны устанавливать их в правильное положение. Нанотехнология принесёт фундаментальный прорыв в медицине.
Сейчас врачи полагаются в основном на хирургию и лекарства для лечения болезни. Хирурги продвинулись от зашивания ран и ампутации конечностей к восстановлению сердца и пришиванию конечностей. С использованием микроскопов и точных инструментов, они соединяют тонкие сосуды крови и нервы. Однако даже самый лучший микрохирург не может разрезать и сшить более тонкие структуры ткани. Современные скальпели и нити для сшивания ран просто слишком грубы для починки капилляров, клеток и молекул. Рассмотрите «тонкую» хирургию с клеточной перспективы: вонзается огромное лезвие, разрубая вслепую мимо и через молекулярные механизмы огромного количества клеток, убивая при этом тысячи. Затем огромный обелиск ныряет сквозь разделённые толпы клеток, протаскивая за собой кабель, широкий как товарный поезд, чтобы связать эти толпы клеток снова. С клеточной перспективы, даже самая тонкая хирургия, выполняемая самыми тонкими скальпелями и с величайшим мастерством, всё же ещё работа мясника. Только способность клеток изолировать мёртвые, перегруппировываться и размножаться делает лечение возможным.
Однако как слишком хорошо знают многие парализованные жертвы несчастных случаев, не все ткани заживают.
В отличие от хирургии, лекарственная терапия имеет дело с самыми тонкими структурами в клетках. Молекулы лекарств – простые молекулярные устройства. Многие воздействуют на специфические молекулы в клетках. Молекулы морфия, например, связываются с определёнными рецепторными молекулами в мозговых клетках, воздействуя на нейронные импульсы, которые сигнализируют о боли. Инсулин, бета-блокираторы и другие лекарства соответствуют другим рецепторам. Но молекулы лекарств действуют без направления. Будучи один раз введёнными в тело, они толкаются и ударяются везде в растворе случайным образом до тех пор, пока они не ударятся в целевую молекулу, окажутся соответствующими и прилипнут, воздействуя на её функцию.
Хирурги могут видеть проблемы и планировать действия, но у них имеются грубые инструменты; молекулы лекарств воздействуют на ткани на молекулярном уровне, но они слишком просты, чтобы ощущать, планировать и действовать. Но молекулярные машины, управляемые нанокомпьютерами предложат врачам иную альтернативу. Они объединят датчики, программы и молекулярные инструменты, чтобы образовывать системы, способные исследовать и восстанавливать элементарные компоненты отдельных клеток. Они дадут хирургический контроль в молекулярную область.
Эти продвинутые молекулярные устройства появятся лишь через годы, но исследователи, мотивируемые потребностями медицины, уже изучают молекулярные машины и молекулярный инжиниринг. Лучшие лекарства воздействуют на определенные молекулярные машины определенными способами. Пенициллин, например, убивает некоторые бактерии, предотвращая работу наномашин, которые бактерии используют для постройки стенок своей клетки, и при этом он почти не воздействует на человеческие клетки.
Биохимики изучают молекулярные машины, чтобы и научиться, как их строить, и научиться как их разрушать. Во всем мире (и особенно в странах третьего мира) отвратительное разнообразие вирусов, бактерий, простейших, грибов, и червей паразитируют на человеческой плоти. Подобные пенициллину, безопасные эффективные лекарства от этих болезней нейтрализовали бы молекулярные машины, оставляя молекулярные машины человека нетронутыми. Доктор Сеймур Соген, профессор фармакологических наук из SUNY (Стони Брук, Нью-Йорк) утверждает, что биохимики должны систематически изучать молекулярные машины этих паразитов. Как только биохимики определили форму и функцию жизненно важной белковой машины, в большом числе случаев они могут разработать молекулу, сделанную так, чтобы блокировать её действие и разрушать её. Такие лекарства могли бы освободить человечество от таких древних ужасов как schistosomiasis и проказа, и от таких новых как СПИД.
Фармацевтические компании уже переделывают молекулы, основываясь на знании того, как они работают. Исследователи компании Апджон разработали и сделали измененные молекулы вазопрессина – гормона, который состоит из короткой цепи аминокислот. Вазопрессин усиливает работу сердца и снижает скорость, с которой почки вырабатывают мочу; это увеличивает кровяное давление. Исследовании разработали модифицированные молекулы вазопрессина, которые воздействуют на молекулы-рецепторы в почках в большей степени, чем на молекулы-рецепторы в сердце, придавая им более специфический и контролируемый медицинский эффект. Ещё более недавно, они разработали модифицированные молекулы вазопрессина, которые присоединяются к рецепторным молекулам почек, не оказывая прямого эффекта, таким образом блокируя и подавляя действие естественного вазопрессина.
Потребности медицины будут двигать эту работу вперед, мотивируя исследователей предпринимать дальнейшие шаги по проектированию белка и молекулярному инжинирингу. Давление и медицинских, и военных, и экономических факторов толкают нас в одном и том же направлении. Ещё даже до ассемблерной революции молекулярная технология будет давать нам впечатляющие успехи в медицине; тенденции в биотехнологии это гарантируют. Однако, эти успехи будут в целом постепенными и труднопредсказуемыми, и каждое будет использовать своё небольшое поле в биохимии. Далее, когда мы применим ассемблеры и системы технического ИИ к медицине, мы получим широкие способности, которые легче предвидеть.
Чтобы понять эти способности, рассмотрим клетки и их механизмы самовосстановления. В клетках вашего тела, естественные радиация и вредные химические вещества расщепляют молекулы, производя химически активные молекулярные фрагменты. Они могут ошибочно присоединяться к другим молекулам в процессе, называемом перекрёстным связыванием. Также как шарики и капельки клея повредили бы машину, так же радиация и химически активные фрагменты повреждают клетку, и разрушая молекулярные машины и склеивая их.
Если ваши клетки не могли бы восстанавливать себя, повреждение быстро убило бы их или сделало бы их неконтролируемыми, повреждая их системы управления. Но эволюция благоприятствовала организмам с машинами, способными что-то делать с этой проблемой. Самовоспроизводящаяся производственная система, описанная в главе 4, чинила себя путём замены повреждённых частей; клетки делают то же самое. До тех пор, пока клеточная ДНК сохраняется неповреждённой, она может производить безошибочные ленты, которые направляют рибосомы на сборку новых белковых машин.
К нашему сожалению, сама ДНК повреждается, что ведёт к мутациям. Ремонтирующие ферменты до некоторой степени компенсируют повреждения ДНК, обнаруживая и восстанавливая некоторые их виды. Такой ремонт помогает клеткам выживать, но существующие механизмы ремонта слишком просты, чтобы исправлять все проблемы, будь то в ДНК или где-то ещё. Ошибки накапливаются, внося свой вклад в старение и смерть клеток, а также самих людей.
Жизнь, разум и машины
Имеет ли смысл описывать клетки как «машины», будь то самовосстанавливающиеся, или нет? Так как мы сделаны из клеток, могло бы казаться унизительным сводить людей к ""просто машинам", что противоречит холистическому пониманию жизни.Но словарное определение «холизма» – ""теория, что действительность составлена из органичных или объединенных целых, которые есть больше, чем простая сумма их частей." "Это, конечно, применяется к людям: просто сумма наших частей, без разума и жизни, походила бы на гамбургер.
Человеческое тело включает приблизительно 10 22
белковых частей, и ни одна машина такой сложности не заслуживает ярлыка «просто». "Любое краткое описание такой сложной система не может не быть весьма неполным, однако на клеточном уровне описание в терминах машин смысл имеет. Молекулы имеют простые движущиеся части, многие из которых действуют подобно знакомому роду машин. Клетки, рассматриваемые как целое, могут казаться менее механическими, однако биологи находят полезным описать их в терминах молекулярных машин.
Биохимики раскрыли то, что когда-то было главными тайнами жизни, и начали заполнять детали. Они проследили, как молекулярные машины расщепляют молекулы пищи на их составные части и затем повторно собирают эти части, чтобы строить и обновлять ткани. Многие детали структуры человеческих клеток остаются неизвестными (отдельные клетки содержат миллиарды больших молекул тысяч различных видов), но биохимики нанесли на карту каждую часть некоторых вирусов. Биохимические лаборатории часто вешают на стену огромную диаграмму, показывающую, как основные молекулярные строительные блоки плавают внутри бактерии. Биохимики понимают в деталях многое из жизненных процессов, а то, что они не понимают по-видимому действует по тем же самым принципам. Тайна наследственности превратилась в индустрию генной инженерии. Даже эмбриональное развитие и память сейчас объясняются в терминах изменения в биохимии и клеточной структуре.
В последние десятилетия само качество нашего остающегося незнания изменилось. Когда-то, биологи смотрели на жизненный процесс и спрашивали: "Как это может быть?" "Но сегодня они понимают общие принципы жизни, и когда они изучают специфический жизненный процесс, они обычно спрашивают: "Из многих способов, как это может быть, какой выбрала природа?" Во многих случаях их исследования сузили конкурирующие объяснения в какой-либо области до одного. Определённые биологические процессы – координация клеток для образования растущего эмбриона, обучающегося мозга и реагирующей иммунной системы – всё ещё представляют серьёзную задачу для воображения. Однако это не потому, что есть какая-то глубокая тайна в том, как работают их части, но из-за громадной сложности того, как их многие части взаимодействуют друг с другом, чтобы образовывать целое.
Клетки подчиняются тем же самым естественным законам, которые описывают и остальную часть мира. Белковые машины в правильном молекулярном окружении будут работать, остаются ли они в функционирующей клетке или эта клетка была ли размолота и размыта многие дни назад. Молекулярные машины ничего не знают о «жизни» и "смерти".
Биологи, когда им нужно, иногда определяют жизнь как способность расти, воспроизводиться и реагировать на раздражители. Но по этому стандарту, глупая система самовоспроизводящихся фабрик могла бы квалифицироваться как жизнь, в то время как сознательный искусственный интеллект, смоделированный на человеческом мозге мог бы так не квалифицироваться. Являются ли вирусы живыми или они «просто» очень совершенные молекулярные машины? Никакой эксперимент не может об этом сказать, потому что природа не проводит никакой линии между живым и неживым. Биологи, которые работают с вирусами, вместо этого задают вопрос о жизнеспособности: "Будет ли этот вирус функционировать, если ему дать возможность?" Ярлыки «жизнь» и «смерть» в медицине зависят от медицинских возможностей: врачи спрашивают: "Будет ли пациент функционировать, если мы приложим все усилия?" Когда-то врачи объявляли пациентов мёртвыми как только останавливалось сердце; теперь они объявляют пациентов мёртвыми, когда они теряют надежду на восстановление мозговой деятельности. Успехи в кардиологии когда-то изменили определение; успехи в медицине мозга изменят его ещё раз.
Также некоторые люди чувствуют себя некомфортно с идеей, что машины лежат в основе нашего мышления. Слово «машина» снова, кажется, вызывает неправильный образ – картину чего-то большого, гремящего металлом, а не мерцание сигналов вдоль бегущей волны или нейронным волокнам, по живой ткани, более сложной чем способен полностью понять разум, который она воплощает. Действительно подобные машинам машины мозга имеют размер молекул – меньше, чем самые тонкие волокна.
Целое не обязательно должно походить на свои части. Твёрдый кусок чего-нибудь едва ли походит на танцующий фонтан, однако совокупность твердых, бугристых молекул образует текучую воду. Подобным образом миллиарды молекулярных машин образуют нейронные волокна и синапсы, тысячи волокон и синапсов образуют нервную клетку, миллиарды нервных клеток образуют мозг, а сам мозг воплощает текучесть мысли.
Сказать, что разум – это "всего лишь "молекулярные машины" " – подобно высказыванию, что Мона Лиза является "только мазками краски. "Такие утверждения путают части с целым, и путают материю со структурой, которую материя воплощает. Мы нисколько не менее человечны из-за того, что сделаны из молекул.
От лекарств к машинам ремонта клеток
Будучи сделанными из молекул, и имея человеческое беспокойство о нашем здоровье, мы применим молекулярные машины к биомедицинской технологии. Биологи уже используют антитела, чтобы помечать белки, ферменты – чтобы разрезать и соединять ДНК, а шприцы вирусов (такие как у вируса-фага T4) – чтобы впрыскивать отредактированную ДНК в бактерию. В будущем они будут использовать построенные ассемблерами наномашины, чтобы исследовать и модифицировать клетки.С инструментами, подобными дизассемблерам, биологи будут способны изучить структуры клетки до конца, до молекулярных деталей. Далее они занесут в каталог сотни тысяч видов молекул тела и построят карту структуры сотен видов клеток. Во многом также как инженеры могли составлять перечень частей и создавать инженерные чертежи автомобиля, также биологи опишут части и структуры здоровой ткани. К тому времени им будут помогать сложные системы технического ИИ.
Врачи стремятся сделать ткани здоровыми, но с помощью лекарств и хирургии, они могут только стимулировать ткани себя восстанавливать. Молекулярные машины дадут возможность более непосредственного ремонта, начиная новую эру в медицине.
Чтобы починить автомобиль, механик сначала добирается до дефектного узла, затем опознает и удаляет плохие части, и наконец их восстанавливает или заменяет. Ремонт клетки будет включать те же самые основные задачи – задачи, которые живые системы уже доказали, что они возможны.
Доступ. Белые клетки крови покидают кровяное русло и движутся через ткань, а вирусы входят в клетки. Биологи даже втыкают в клетки иглы, и это их не убивает. Эти примеры показывают, что молекулярные машины могут добираться и входить в клетки.
Распознавание. Антитела и волокна хвоста фага T4, а на самом деле все специфические биохимические взаимодействия, показывают, что молекулярные системы, входя в контакт с другими молекулами, могут их распознавать.
Разборка. Пищеварительные ферменты (и другие, более жестокие химические вещества) показывают, что молекулярные системы могут разбирать поврежденные молекулы.
Восстановление. Воспроизводящиеся клетки показывают, что молекулярные системы могут строить или восстанавливать любую молекулу, обнаруживаемую в клетке.
Повторная сборка. Природа также показывает, что отделенные молекулы могут быть собраны вместе снова. Например, механизмы фага T4 собирают сами себя из раствора, чему, очевидно, помогает единственный фермент. Воспроизводящиеся клетки показывают, что молекулярные системы могут собирать любую из систем, обнаруживаемых в клетке.
Таким образом, природа демонстрирует все основные операции, необходимые, чтобы выполнять ремонт клеток на молекулярном уровне. Что более важно, как я описал в главе 1, системы, основанные на наномашинах, будут большей частью более компактны и обладать большими возможностями, чем обнаруживаемые в природе. Естественные системы показывают только нижние границы возможного в ремонте клеток, также как и во всём остальном.
Машины ремонта клеток
Короче говоря, с молекулярной технологией и техническим ИИ мы будем делать полные описания здоровой ткани на молекулярном уровне, и будем строить машины, способные входить в клетки, понимать и изменять их структуры.Машины ремонта клеток будут сопоставимы по размеру с бактериями и вирусами, но их более компактные части ""позволят им быть более сложными. Они будут проходить через ткань, как это делают белые клетки крови, и входят в клетки, как это делают вирусы, или они могли бы открывать и закрывать клеточные мембраны с хирургической аккуратностью. Внутри клетки машина ремонта первым делом составит представление о ситуации, исследуя содержимое клетки и её функционирование, а далее будет предпринимать действия. Первые машины ремонта клеток будут высоко специализированными, способными распознавать и исправлять только один тип молекулярных нарушений, таких как дефицит ферментов или форма повреждения ДНК. В дальнейшем (но не намного позже, так как продвинутые системы технического ИИ будут выполнять работы по разработке) машины будут программироваться более общими способностями.
Для сложных машин ремонта будут нужны нанокомпьютеры, чтобы ими управлять. Механический компьютер шириной в микрон, такой как описан в главе 1, будет умещаться в 1/1000 объема средней клетки, однако будет вмещать больше информации, чем клеточная ДНК. В системе ремонта, такие компьютеры будут управлять более маленькими и простыми компьютерами, которые в свою очередь будут управлять машинами, направляя их на исследование, разборку и перестройку повреждённых молекулярных структур.
Отрабатывая молекулу за молекулой и структуру за структурой, машины ремонта будут способны восстанавливать целые клетки. Отрабатывая клетку за клеткой и ткань за тканью, они (с помощью больших устройств, там, где это необходимо) будут способны восстанавливать целые органы. Отрабатывая орган за органом по всему телу, они восстановят здоровье. Так как молекулярные машины будут способны строить молекулы и клетки с нуля, они будут способны исправлять даже клетки, повреждённые до степени полной неработоспособности. Таким образом с машинами ремонта клеток произойдёт фундаментальный прорыв: они освободят медицину от необходимости полагаться на самовосстановление как единственный способ лечения.
Чтобы представить себе продвинутую машину ремонта клеток, представьте себе её и клетку увеличенными так, что атомы станут размером с маленький мраморный шарик. В этом масштабе самые маленькие инструменты машин ремонта будут примерно с кончики ваших пальцев; белок среднего размера, такой как гемоглобин, будет размером с печатающую машинку; а рибосома будет размером со стиральную машину. Устройство ремонта содержит простой компьютер размером с небольшой трактор, и условия для хранения информации и приводящей в движение энергии. Объём в десять метров в диагонали – размер 3-этажного дома, содержит все эти части и более этого. С частями размером с мраморные шарики, умещённые в этот объём, машины ремонта смогут делать сложные вещи.
Но такое ремонтное устройство не работает в одиночестве. Оно, также как многие его братья и сёстры, связано с большим компьютером посредством механических связей для передачи данных, диаметром как ваша рука. В этом масштабе, компьютер размером в кубический микрон с большой памятью заполнит объем в тридцать этажей в высоту и шириной как футбольное поле. Ремонтные устройства передают ему информацию, а он предаёт обратно общие инструкции. Объекты такие большие и сложные тем не менее достаточно маленькие: в этом масштабе сама клетка будет длинной в километр, вмещая в себе тысячи объёмов компьютеров размером в один кубический микрон, и миллионы раз вмещая в себе объём отдельного ремонтного устройства. В клетках много места!
Будут ли такие машины способны делать все необходимое для восстановления клеток? Существующие молекулярные машины демонстрируют способность проходить через ткани, входить в клетки, распознавать молекулярные структуры, и т. д., но остальные требования также важны. Будут ли машины ремонта работать достаточно быстро? Если они будут, будут ли они расходовать настолько много энергии, что изжарят пациента?
Самый обширный ремонт не может требовать значительно большего количества работы чем создание клетки с нуля. Однако молекулярные машины, работающие в пределах объёма клетки всё время делают именно это, строя новую клетку за время от десятков минут (для бактерий) до нескольких часов (для млекопитающих). Это показывает, что машины ремонта, занимающие несколько процентов от объёма клетки будут способны выполнить обширный ремонт за разумное время – дни или, самое большее, недели. Клетки могут выделить необходимое пространство. Даже клетки мозга всё ещё функционируют, когда мёртвый продукт жизнедеятельности, называемый липофускином (очевидно, продукт молекулярного повреждения клеток) заполняет более десяти процентов от их объёма.
Снабжать энергией устройства ремонта будет несложно: клетки естественным образом содержат химические вещества, которые дают энергию наномашинам. Природа также показывает, что машины ремонта можно охлаждать: в вашем теле клетки постоянно себя переделывают, и молодые животные стремительно растут, не изжаривая себя выделяемым теплом. Чтобы распорядиться теплом от подобного уровня активности ремонтных машин, потеть не придётся, а если даже и придётся, то не слишком сильно, если неделя потения – это цена здоровья.
Все эти сравнения машин ремонта с существующими биологическими механизмами поднимают вопрос того, будут ли машины ремонта способными улучшить нашу природу. Ремонт ДНК даёт ясную иллюстрацию.
Также, как неграмотная ""машина по ремонту книг" "могла бы распознавать и восстанавливать порванную страницу, также ферменты ремонта клетки могут распознавать и восстанавливать разрывы и перекрёстное связывание в ДНК. Исправление ошибок записи (или мутаций), тем не менее, требовало бы способности читать. В природе не существует таких машин ремонта, но их будет легко построить. Представьте себе три идентичные молекулы ДНК, каждая из которых содержит одну и ту же последовательность нуклеотидов. Теперь представьте себе что в каждой нити произведены мутации так, что случайным образом изменен порядок нескольких нуклеотидов. Каждая нить всё ещё кажется нормальной, если её взять саму по себе. Тем не менее машина ремонта могла бы сравнить каждую нить с другой, один сегмент за другим, и могла бы заметить, когда нуклеотид не соответствует своей паре. Заменяя неправильные нуклеотиды так, чтобы они соответствовали двум остальным таким образом исправит повреждение.
Этот метод не будет работать, если две нити мутируют в одном и том же месте. Представьте, что ДНК трех человеческих клеток были тяжело повреждены – после тысяч мутаций в каждой клетке один нуклеотид на миллион был изменён. Шанс, что наша трёх-ниточная процедура коррекции не сможет помочь делу в любой данной точке примерно один из миллиона миллионов. Но сравните пять ниток сразу и шансы станут один на миллион миллионов миллионов и т. д. Устройство, которое сравнивание множество нитей сделает возможность существования неисправимых ошибок практически нулевой.