Встречаются наивные люди, утверждающие, что за миллиарды лет эволюции природа так и не изобрела колесо. Если бы они уменьшились до наноуровня и совершили путешествие внутрь живой клетки, то увидели бы не только колесо, но и электродвигатели, конвейеры, сборочные линии и даже шагающих роботов.
По подсчетам биологов, в живой клетке функционирует около сорока известных науке молекулярных машин. Они возят грузы по молекулярным «рельсам», выступают в качестве «включателей» и «выключателей» химических процессов. Машины из молекул производят энергию для поддержания жизни, сокращают наши мышцы и строят другие молекулярные машины. А еще они вдохновляют ученых на строительство рукотворных нанороботов, которые в будущем смогут жить и работать во внутриклеточном мире.
Чтобы представить себе, из чего и как ученые-гулливеры будут строить роботов-лилипутов, мы рассмотрели несколько наномашин, созданных самой природой.
Жгутик бактерии
Известный российский биохимик, академик РАН Владимир Скулачёв назвал движение бактерий одним из самых поразительных явлений природы: «Его исследование нанесло сокрушительный удар по нашему высокомерному снобизму вроде того, что биологическая эволюция, имея в своем распоряжении миллиарды лет, так и не смогла изобрести колесо».
Для передвижения в жидкой среде некоторые бактерии используют вращающийся жгутик, который приводится микроскопическим электродвигателем, собранным из нескольких белковых молекул. Раскручиваясь до 1000 об/мин, жгутик может толкать бактерию вперед с необыкновенно большой скоростью - 100–150 мкм/с. За секунду одноклеточное перемещается на расстояние, превосходящее его длину более чем в 50 раз. Если это перевести на привычные нам величины, то спортсмен-пловец ростом в 180 см должен был бы переплывать 50-метровый бассейн за полсекунды!
Метаболизм бактерии устроен таким образом, что положительные ионы водорода (протоны) накапливаются между внутренней и внешней мембранами ее клетки. Создается электрохимический потенциал, увлекающий протоны из межмембранного пространства в клетку. Этот поток протонов проходит через «двигатель», приводя его в движение.
Белковую структуру «мотора» называют комплексом Mot, который, в свою очередь, состоит из белков Mot A (статора) и Mot B (ротора). Ионные каналы в них расположены таким образом, что движение протонов заставляет ротор вращаться подобно турбине. Манипулируя структурой белка, некоторые бактерии умеют изменять направление и скорость движения, а иногда даже включать «задний ход».
Наличие вращающихся частей у живого организма поначалу казалось столь невероятным, что потребовало серьезных экспериментальных подтверждений. Таких подтверждений было получено несколько. Так, в лаборатории академика Скулачёва бактерию характерной формы (в виде полумесяца, где передняя часть бактерии была вогнутой, задняя - выпуклой) прикрепляли жгутиком к стеклу и наблюдали за ней в микроскоп. Было хорошо видно, как бактерия вращается, постоянно показывая наблюдателю лишь переднюю часть, свою «впалую грудь», и никогда не поворачиваясь «спиной».
АТФ-синтаза
Протонная АТФ-синтаза - самый маленький в живой природе биологический мотор шириной всего в 10 нм. С его помощью живые организмы вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) - вещество, которое служит основным источником энергии в клетке.
АТФ состоит из аденозина (соединение хорошо знакомого нам по ДНК азотистого основания аденина и сахара рибозы) и трех последовательно подсоединенных к нему фосфатных групп. Химические связи между фосфатными группами очень сильные и содержат много энергии. Эта консервированная энергия может пригодиться для питания самых разнообразных биохимических реакций. Однако сперва необходимо определенным образом приложить энергию, чтобы упаковать аденозин и фосфатные группы в молекулу АТФ. Этим и занимается АТФ-синтаза.
Поступающие в организм жирные кислоты и глюкоза проходят многочисленные циклы, в процессе которых специальные ферменты дыхательной цепи откачивают положительные ионы водорода (протоны) в межмембранное пространство. Там протоны накапливаются, как войско перед битвой. Создается потенциал: электрический (положительные заряды снаружи митохондриальной мембраны, отрицательные внутри органеллы) и химический (возникает разница концентраций ионов водорода: внутри митохондрии их меньше, снаружи больше).
Известно, что электрический потенциал на мембране митохондрий, которая служит хорошим диэлектриком, достигает 200 мВ при толщине мембраны всего 10 нм.
Накопившись в межмембранном пространстве, протоны, подобно электрическому току, устремляются назад, в митохондрию. Они проходят по специальным каналам в АТФ-синтазе, которая встроена во внутреннюю сторону мембраны. Поток протонов раскручивает ротор, будто река водяную мельницу. Ротор вращается со скоростью 300 оборотов в секунду, что сопоставимо с максимальными оборотами двигателя болида «Формулы-1».
АТФ-синтазу по форме можно сравнить с грибом, «растущим» на внутренней стороне мембраны митохондрии, при этом описанный выше ротор прячется в «грибнице». «Ножка гриба» вращается вместе с ротором, и на ее конце (внутри «шляпки») закреплено некое подобие эксцентрика. Неподвижная «шляпка» условно делится на три дольки, каждая из которых деформируется, сжимается при прохождении эксцентрика.
К «долькам» прикрепляются молекулы аденозиндифосфата (АДФ, с двумя фосфатными группами) и остатки фосфорной кислоты. В момент сжатия АДФ и фосфат прижимаются друг к другу достаточно сильно, чтобы образовать химическую связь. За один оборот «эксцентрик» деформирует три «дольки», и образуется три молекулы АТФ. Помножив это на количество секунд в сутках и примерное количество АТФ-синтаз в организме, мы получим удивительную цифру: ежедневно в человеческом теле вырабатывается примерно 50 кг АТФ.
Все тонкости этого процесса необычайно сложны и многообразны. За их расшифровку, которая потребовала почти ста лет, были вручены две Нобелевские премии - в 1978 году Питеру Митчеллу и в 1997 году Джону Уокеру и Полю Бойеру.
Кинезин
Кинезин - это линейный молекулярный мотор, передвигающийся по клетке вдоль путепроводов - полимерных нитей. Будто портовый грузчик, он перетаскивает на себе всевозможные грузы (митохондрии, лизосомы), используя в качестве топлива молекулы АТФ.
Внешне кинезин похож на сплетенного из тонких веревок игрушечного «человечка»: он состоит из двух одинаковых полипептидных цепей, верхние концы которых сплетены и соединены вместе, а нижние расставлены в стороны и имеют на концах «ботинки» - глобулярные головки размером 7,5×4,5 нм. При движении эти головки на нижних концах поочередно отрываются от полимерной «тропинки», кинезин поворачивается на 180 градусов вокруг своей оси и переставляет одну из нижних «стоп» вперед. При этом если один его конец при движении тратит энергию (молекулу АТФ), то другой в это время высвобождает компонент для образования энергии, АДФ. В итоге получается непрерывный цикл подачи и траты энергии для полезной работы.
Как показали исследования, кинезин способен довольно бодро вышагивать по клетке своими «веревочными» ножками: делая шаг длиной всего 8 нм, за секунду он перемещается на гигантское по клеточным меркам расстояние в 800 нм, то есть делает 100 шагов в секунду. Попробуйте представить себе такие скорости в человеческом мире!
Искусственные наномашины
Человеком, который подтолкнул научный мир к созданию нанороботов на основе биологических молекулярных устройств, стал выдающийся ученый-физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Его лекцию 1959 года с символичным названием «Там внизу еще много места» биоинженеры всего мира считают отправной точкой в этом нелегком деле.
Прорыв, позволивший перейти от теории к практике, случился в начале 1990-х годов. Тогда английские ученые из Университета Шеффилда, Фрэйзер Стоддарт и Нил Спенсер, и их итальянский коллега Пьер Анелли сделали первый молекулярный челнок - синтетическое устройство, в котором происходит пространственное перемещение молекул. Для его создания используют ротаксан - искусственное вещество, в котором кольцевая молекула (кольцо) нанизана на линейную молекулу (ось). Отсюда и название вещества: лат. rota - колесо и axis - ось. Ось в ротаксане имеет форму гантели, чтобы с помощью объемных групп на концах не позволять кольцу соскальзывать со стержня.
Челнок на основе ротаксана перемещает кольцевую молекулу вдоль линейной, на которой она держится, с помощью протонов (ослабляя или увеличивая водородные связи, удерживающие по центру кольцевую молекулу) и броуновского движения, толкающего вперед кольцо. Это похоже на брошенный в ручей резиновый мячик, привязанный к веревке: ослабили веревку (водородные связи) и стремительный ручей (броуновское движение) подхватит мяч и увлечет его вперед. Натянули веревку - мяч возвратится назад.
В 2010 году группа американских биоинженеров, Милан Стоянович и его коллеги, создали молекулярного наноробота, способного перемещаться по ДНК. В ходе эксперимента ученые смогли проследить, как их наноробот смог самостоятельно сделать 50 шагов и передвинуться на 100 нм. Робот, внешне напоминающий паука, может автономно выполнять несколько команд: «идти», «повернуть», «остановиться». По мнению авторов, он очень востребован в медицине в качестве доставщика лекарств в клетку.
В 2013 году английские и шотландские биоинженеры под руководством Дэвида Лея смогли создать первый в мире молекулярный наноконвейер: наномашину, способную собирать пептиды, короткие белки. В природе эту задачу выполняют рибосомы - органеллы, находящиеся в наших клетках. Биоинженеры взяли за основу для своей машины молекулу ротаксана и на ее «стержне» смогли собрать из отдельных аминокислот белок заданного свойства. Правда, в соревновании с природной сборкой белков в рибосоме искусственная молекулярная машина пока проигрывает: ей понадобилось 12 часов на присоединение каждого аминокислотного остатка, в то время как рибосомы справляются с этой задачей быстрее чем за секунду.
Несмотря на это, исследователи с оптимизмом рассматривают свою разработку. «Вы получаете машину, которая точно движется, поднимает молекулярные строительные блоки и ставит их вместе. Если природа делает это, почему не можем мы?» - отметил профессор Лей.
Еще в 1986 году известный американский инженер Эрик Дрекслер в своей книге «Машина созидания» привел пример роботов, способных строить объекты на молекулярном уровне - атом за атомом. Они также должны проникать в тело человека и лечить его изнутри, воздействуя непосредственно на пораженные болезнью участки организма. Все это звучит утопично, но сегодня многие ученые уверены, что появление таких машин - нанороботов - это всего лишь вопрос времени.
Что такое нанороботы?
Четкого ответа на этот вопрос пока не существует - нет единого и универсального толкования термина «наноробот». В целом же, когда говорят о таких устройствах, обычно имеют в виду крошечных роботов размером с молекулу, способных манипулировать атомами и прочими нанообъектами. Иными словами, они способны воздействовать на саму основу всего нашего мира, ведь уже доказано, что все вокруг, включая нас самих, состоит из атомов. Это открывает широкие возможности нанороботам и людям, управляющими ими.
Далеко не все ученые верят в то, что нанороботов реально создать, и их сложно винить в скептицизме - все описанное выше действительно звучит слишком фантастично. Но нужно понимать, что каждый из нас жив сегодня благодаря бесчисленным операциям наноботов в триллионах наших клеток. Люди дают им определенные названия, например, «рибосомы», «кровяные тельца» и т.д., но по своей сути они — запрограммированные машины с функцией. Если мы сможем понять, какую именно «программу» они используют, и сможем ее воссоздать - будущее с нанороботами не заставит себя долго ждать.
Сейчас используется несколько способов создания нанороботов. Согласно первому, для этих целей потребуется специальная нанофабрика. Это комплекс устройств, предназначенный для комбинации атомов и создания из них различных связей. Второй метод подразумевает создание наноробота на основе ДНК.
Возможный потенциал нанороботов
Ученые считают, что он практически безграничен. При достаточном уровне развития технологии эти микроскопические устройства смогут в прямом смысле преобразить наш мир. Среди прочего они позволят:
Лечить все болезни, даже такие опасные, как рак. Врачи смогут внедрять роботов в организм пациента и с их помощью быстро отслеживать пораженные клетки, а затем напрямую лечить их изнутри! Это, в свою очередь, позволит существенно продлить срок человеческой жизни и, возможно, даже обрести бессмертие.
Изменять организм, улучшая его функции и возможности. Наноботы в данном случае используются как имплантаты. Помещенные внутрь организма, они будут отслеживать его состояние, быстро фиксировать симптомы заболеваний, улучшать физические данные носителя и т. д.
Подключить мозг к Интернету. Напрямую! Изобретатель Реймонд Курцвел считает, что это станет возможным уже в 2030 году.
Очищать воды Мирового океана и воздух, высасывая загрязнения на молекулярном уровне.
Это лишь малая часть возможностей нанороботов. При должной фантазии и изобретательности с их помощью можно сделать невероятно много.
Современные нанороботы
Уже создан целый ряд удивительных разработок в данном направлении! Приведем здесь только некоторых из них:
Наноплавники от ETH Zurich и Technion. Устройство представляет собой полипропиловую проволоку. Она способна двигаться в биологической жидкости организма со скоростью 15 микрометров в секунду. Такой «наноплавник» можно использовать для точечной доставки лекарств в пораженный орган.
3D-движущиеся наномашины из ДНК. Такую необычную конструкцию разработали ученые Университета Огайо. Эти боты сконструированы непосредственно из ДНК-клеток и могут выполнять определенные манипуляции.
Еще один вид нанороботов, предназначенный для доставки лекарств в заданные участки, создали ученые Дрексельского Университета. Конструкция представляет собой цепочку из 13 ботов, способных передвигаться по биологической жидкости со скоростью 17,85 микрометра в секунду.
Эти наноботы, конечно, еще не способны лечить все болезни и подключать человеческий мозг к Интернету. И в ближайшее время не смогут. Но очевидно, что все к тому идет, и появление наноботов в повседневной жизни - это не настолько нереально, как может показаться на первый взгляд.
Нанороботы в медицине
Нанороботы
, за разработку которых дали Нобелевскую премию по химии 2016 года, в ближайшем будущем, без сомнения, совершат переворот в медицине
. Совсем недавно я рассказывал о , и как результаты в ней изложенные могут помочь продлить жизнь и сохранить здоровье уже сейчас, а сегодня мой рассказ о еще более грандиозном открытии, которое возможно, откроет путь к избавлению от болезней даже неизлечимых сегодня - например, рака даже избавит от старения, как бы фантастично это не звучало.
Нобелевскую премию по химии за 2016 год получили 3 человека, Фрейзер Стоддарт из США, Жан-Пьер Соваж из Франции, и Бернард Феринг из Голландии, они разработали молекулярны машины (их размеры в 10 тыс. раз меньше размера человеческого волоса), которые могут выполнять по команде человека определённые действия. Особо стоит отметить наномотор: его можно сравнить с изобретением электродвигателя в 1830 году. По мнению членов нобелевского комитета по важности эти изобретения равнозначны - открытие электродвигателя перевернуло жизнь человечества, и скоро стоит ждать этого и от наномашин.
Разработчики первых нанороботов
Какие же возможности открываются для применения разработанных нанороботов в медицине? Пока нанороботы используются и тестируются, только на лабораторных животных, но Рей Курцвейл предсказывает скорое их развитие до уровня применения в человеческом организме.
Нанороботы в медицине: для точной доставки лекарств
Точное дозирование, и доставка лекарств и биологически активных веществ станет простейшей задачей для медицины, сейчас вам приходится принимать препарат для лечения болезни который действует на множество органов и систем сразу, на одни он действует положительно , а другие в это время повреждает. Недавно было выяснено в исследованиях, как сильные антиоксиданты совместно со своим положительным действием на организм незаметно повреждают молекулы ДНК в организме, нанося им вред - все это происходит именно из-за неизбирательного действия препаратов.
Нанороботы в медицине: для Борьбы с раком, болезнями и вирусами
Нанороботы можно будет также применить для, уничтожения раковых клеток, как при помощи простого механического разрушения так, и используя точечную доставку лекарственных препаратов. Фактически любые подобные задачи возможно решить с помощью нанороботов — избавить от диабета,аллергии, даже уничтожить вирус СПИДа всё это не должно быть проблемой, при достаточном развитии технологии.
НАНОРОБОТЫ В МЕДИЦИНЕ: БЕССМЕРТИЕ возможно?
Могут ли нанороботы подарить нам бессмертие? Я могу ответить да — в будущем, возможно в достаточно отдаленном. Все механизмы старения не раскрыты до сих пор, а нанороботу необходимо будет дать команду для проведения изменений в организме, пока до конца не ясно, что менять говорить о полной победе над старением конечно рано, но отрадно, что работы в этом направлении признаны уже на таком высоком уровне как Нобелевская премия — скорая победа над болезнями и старением уже не за горами. Нанороботам можно поручить восстанавливать повреждения ДНК, которые накапливаются с возрастом, а также удалять клеточный мусор — что является одним из механизмов старения.
нанороботы в медицине: какие проблемы сейчас стоят перед учеными?
Основные проблемы которые мне видятся:
- Проблема управления и точной доставки в нужное место - сейчас управляют нанороботами при помощи переменного магнитного поля, оно заставляет раскачиваться движущийся элемент - за счет чего и происходит движение. В идеале каждый наноробот должен быть управляем отдельно, при помощи команд — т , е иметь в своем составе подобие приемопередающего устройства, а также нанокомпьютер.
Проблема контроля положения в организме — нанороботы не могут никак сигнализировать о своём положении в организме, и о производимых изменениях. Предполагается использовать в будущем, для контроля за этим процессом приборы наподобие томографов.
Более подробно про разработки медицинских нанороботов, и наномедицину можно прочитать в википедии .
Небольшой, но очень интересный документальный фильм о наномедицине.
Конечно существуют и опасности связанные с использованием нанороботов, это так называемое их неконтролируемое самопроизводство, где в качестве топлива они начнут использовать, все что угодно — это гепотетическое явление получило название «серая слизь». Но я не хочу рассматривать негативные сценарии развития, все таки более оптимистичным хочется быть.
Эра нанороботов принадлежит к третьему мосту на пути к бессмертию, по теории Рея Курцвейла.
Первый мост : делать все, что возможно делать на сегодняшнем уровне медицины для продления жизни: физические упражнения, применение , диеты и , прием для того, что бы иметь возможность дожить до второго моста.
Второй мост : здесь в игру включаются новые технологии стоящие на передовом крае науки: генная терапия, стволовые клетки, замена изношенных органов клонированными органами тканями, цель дожить до возможностей третьего моста.
Третий мост : его основу составляют искусственный интеллект и нанотехнологии. Результатом применения технологий третьего моста должны стать специализированные нанороботы способные полностью перестраивать организм владельца.
Рей Курцвейл известнейший футуролог прогнозы которого обладают потрясающей точностью, и сбываемостью.
Вот цитата Била Гейтса про него:
Рэй Курцвейл является лучшим человеком, которого я знаю, в предсказании будущего искусственного интеллекта.
Похожих статей не найдено.
Нанороботы - это роботы, размер которых сопоставим с размером молекулы. Они обладают функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ, а также в некоторых случаях возможностью самовоспроизведения.
Впервые открыто о создании нанороботов заговорил американский ученый Ким Эрик Дрекслер, которого называют "отцом нанотехнологий". Идею создания нанороботов ученый рассмотрел в своей книге "Машины создания". Здесь же он представил гипотетический сценарий оживления крионированных людей. Это первый теоретик создания молекулярных нанороботов и концепции "серой слизи". Дрекслер участвовал в исследованиях NASA на тему космических поселений в 1975 и 1976 годах. Он разрабатывал на основе нанотехнологий высокоэффективные солнечные батареи, а также активно участвовал в космической политике.
В 2010 году были впервые продемонстрированы нанороботы на основе ДНК, способные перемещаться в пространстве. А до этого время постоянно велись секретные исследования в этой отрасли.
Для чего же создаются нанороботы? По официальным данным, они могут оказать неоценимую помощь в медицине. Планируется, что эти микроскопические роботы будут впрыскиваться в пациента и выполнять роль беспроводной связи и ряд других задач на наноуровне.
Утверждается, что до сего момента нанороботы не были испытаны на людях, однако на протяжении последних 10-20 лет появляются факты о том, что нанороботы уже находятся в организме многих людей по всему миру, они выходят прямо из кожи человека, разрушают внутренние клетки человека, нарушают работу всех систем организма.
Несколько добровольных исследователей в этой области, сравнили фотографии некоторых нанороботов, представленных в научных изданиях, и многократно увеличенные фотографии с нанороботами, извлеченными из тел людей. Фотографии представлены ниже.
Общий фон - фото наноробота, извлеченного из тела американца, который уже 13 лет наблюдает за тем, как его тело постепенно разрушается непонятными явно нерукотворными созданиями. Справа - фото наноробота из научного журнала "Advanced Materials".
Вопрос: откуда взялись в теле человека нанороботы идентичные тем, что были представлены в научном журнале?
А самое страшное это то, что таких пациентов по всему миру становится все больше. Объяснения этому никто не дает. Исследования не ведутся. Ученые и медики, которые пытаются заняться исследованиями, погибают при таинственных обстоятельствах. Единственно, что удалось узнать некоторым медикам, при анализе этих нанороботов, найденных в телах людей, это то, что они состоят преимущественно из силикона и притягивают к себе множество других патогенных микроорганизмов.
Человечеству все еще нужны нанороботы? Для чего они созданы на самом деле - знают только посвященные.
Хотите наслаждаться всеми возможностями вашего смартфона на вашем телевизоре? Для этого вам достаточно купить андроид тв приставку . Большой выбор приставок представлен на сайте https://androidmag.org/ . Цены вас порадуют.
Статья на конкурс «био/мол/текст»: В статье рассказано о подходах к пониманию устройства клетки - от идей теоретической биологии и концепций «белок-машина» до современных подходов и открытий: нанороботов, микротрубочек и секвенирования генома. Совместная, точно согласованная работа миллионов нанороботов создает то уникальное явление, которое мы называем жизнью.
Генеральный спонсор конкурса - компания : крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро ».
«Книжный» спонсор конкурса - «Альпина нон-фикшн »
Цитология - наука о клетке
Рисунок 4. Обложка книги Эрвина Бауэра
Конечно, в каком-то смысле и звезда - тоже «процесс», как и клетка: звезда превращает водород в гелий и в конце концов, когда все топливо в ней сгорит, «умирает». Да и самая обыкновенная табуретка, если к ней внимательно приглядеться, не остается вечно такой, какой ее сделали: краска с нее слезает, дерево постепенно высыхает или гниет, крепления разбалтываются... Но живая клетка (и живой организм в целом) принципиально отличается от этих мертвых предметов.
Задумывались ли вы о том, почему камень равнодушно подчиняется действию внешней силы, а живое - сопротивляется? Почему палка плывет по течению, а рыба, идущая на нерест, проходит десятки километров против него? Почему, наконец, мы с вами можем сами определять свое поведение, преодолевая препятствия, которые нам ставит внешний мир?
Первый серьезный шаг для понимания этих вещей сделал советский биофизик Эрвин Бауэр , выдвинувший принцип устойчивого неравновесия:
«...живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях » (рис.4).
Иначе говоря, «живая система» в каком-то смысле нарушает законы физики и химии! Но нарушает она их не иначе, как с их же собственной помощью. Живой объект, используя химические вещества и физические взаимодействия, умеет преодолевать земное притяжение, бороться с течением воды и движением воздуха, делать вредные вещества полезными (например, страшный окислитель кислород, который с точки зрения химии ничем не лучше хлора, дает нам возможность дышать и благодаря этому приобретать энергию; вообще же история борьбы с окислителями-радикалами изложена доступно в статье «Сказка-комикс о великой битве между радикалами и антиоксидантами » ).
Но «равновесие» - это не только состояние, при котором, например, чаши весов уравновешиваются и перестают качаться. В равновесном положении оказывается газ, когда он перетекает из баллона в воздух комнаты и смешивается с атмосферой. В равновесном положении с окружающим воздухом находится печь, когда она полностью отдает свое тепло. Раздел физики - наука термодинамика - утверждает, что, когда система, состоящая из многих молекул, стремится к равновесию, в этой системе увеличивается беспорядок (хаос). Мера хаоса называется «энтропия ». В замкнутых системах энтропия может только расти. Но живые клетки - открытые, а не замкнутые системы. Поэтому они могут сопротивляться росту энтропии. Работая против равновесия, живые существа вносят в мир порядок и ежесекундно сражаются с одолевающим их со всех сторон хаосом. Лисы роют норку и спасаются в ней от зимней стужи, бобры строят плотины и повышают уровень воды, которая сама по себе норовит разлиться по плоскости как можно более тонким слоем.
Такое чудо ежесекундно творит любой живой организм. Но точно так же ведет себя каждая живая клетка. На примере ее поведения, которое проще, чем поведение больших организмов (хотя и клеточное поведение не такое простое, как кажется), можно попытаться понять, что такое жизнь и как именно она борется с «равновесием».
Цитология делает успехи
Нанороботы - фантастика и реальность
В конце прошлого тысячелетия американский ученый Эрик Дрекслер , воодушевленный открытиями в области нанотехнологий, прославился своими, по существу, научно-фантастическими книгами, в которых он мечтал о том, что скоро будут построены «наноассемблеры», способные прямо из атомов собирать все, что угодно. В частности, он писал о «нанороботах», которые смогут делать полезную для здоровья человека работу - чистить кровеносные сосуды, уничтожать раковые клетки, бороться с бактериями.
Нечто похожее в своем фантастическом рассказе «Микроруки» предсказал еще в 1931 году детский писатель Борис Житков . Герой рассказа сделал устройство, позволяющее производить операции с отдельными клетками. От рук человека усилия передавались на микроруки, которые могли делать операции, что не снились и лесковскому Левше! Вот что писал Житков: «Меня приглашали делать самые тонкие операции, где ни один хирург не знал бы, как повернуться. Я мог своими микроруками быстро и без промаху работать под сильнейшим микроскопом. Мельчайшие ростки злокачественной опухоли я удалял из живого организма, я рылся в больном глазу, как в огромном заводе, и у меня не было отбоя от работы. Но меня это не останавливало на моем пути. Я хотел сделать истинные микроруки, такие, которыми я мог бы хватать частицы вещества, из которых создана материя, те невообразимо мелкие частицы, которые видны только в ультрамикроскоп. Я хотел пробраться в ту область, где ум человеческий теряет всякое представление о размерах ― кажется, что уж нет никаких размеров, до того все невообразимо мелко ».
Но героя рассказа поджидала неудача: в процессе охоты за отдельными клетками одна из тварей - «змея-инфузория» - сломала его устройство! Да и руки чуть ему не поломала ― потому что его усилия, как по рычагу Архимеда, передавались в микромир, уменьшаясь в миллионы раз, а силы микромира так же увеличивались и давили на его руки...
Известно, что слово «техника» происходит от греческого «технэ » ― «искусство», и нанотехнологии это подтверждают: они смыкаются с искусством. Сейчас у специалистов появилась возможность лепить молекулярную структуру атом за атомом, как скульптуру. Открываются фантастические возможности свободного творчества. Конструкторы становятся художниками-демиургами, создающими вещи «с нуля»! Но вдруг эти вещи выйдут из-под контроля и начнут размножаться, как зловредные вирусы? Эрик Дрекслер в книге «Машины творения» изрядно испугал читателя рассказами о грядущей победе «серой слизи ». Он писал, что нельзя недооценивать опасности от нанотехнологий. Сейчас нас стращают новой напастью - искусственным интеллектом. А что, если этот интеллект станет изготавливать монстров на «нанофабриках»? Художник Евгений Подколзин для альманаха «Хочу все знать» эту ситуацию обыграл в юмористическом ключе (рис. 5).
Рисунок 5. Наноробот конструирует монстра.
рисунок Евгения Подколзина
Создание новых структур на «нанофабриках» идет сейчас под контролем человека. Контроль необходим для уменьшения рисков безудержного спонтанного размножения наноструктур, которые, как в фантастическом триллере, могут вступить в битву с земной жизнью и изничтожить все живущее на земле, превратить планету в пристанище серой слизи. Заметим, что предпоследняя Нобелевская премия по химии присуждена за работы в области нанотехнологий - так что область эта очень даже горячая ...
Паровоз в кармане
Рисунок 6. Лев Блюменфельд
В любой живой клетке - даже в такой маленькой, как знаменитая бактерия Escherichia coli (она имеет около 5 мкм в длину и 1–1,5 мкм в диаметре), - работают миллионы белковых нанороботов. Они выполняют все необходимые для жизни клеточного государства дела. Есть нанороботы разных типов - посыльные, переносчики, конструкторы, ремонтники, уборщики.
Понимание того, как работают нанороботы, пришло не сразу. В шестидесятых годах ХХ века биофизики Дмитрий Чернавский , Юрий Хургин и Симон Шноль разработали концепцию «белок-машина», экспериментальным подтверждением которой занимался , основатель кафедры биофизики физического факультета МГУ (рис. 6). В своих работах он писал о неравновесных состояниях белков и о релаксации белка-машины в процессе превращения вещества в клетке .
Сейчас это уже стало общим местом: биофизики прямо заявили, что белок - это машина, обнаружены и молекулярные моторы (см. , например, статью «Белковые моторы: на службе у человека и нанотехнологий » ). Конечно, не простая машина, а особая, биологическая. Что такое вообще «машина»? В быту так называют автомобиль, стиральный агрегат, станок на заводе, а в девятнадцатом веке под этим подразумевалась паровая машина. Но если рассуждать научно, то машина - это система, построенная по плану из разных, несхожих между собой частей и предназначенная для выполнения определенных функций (такое определение дал в свое время академик Иван Артоболевский).
Ферменты и другие нанороботы в точности отвечают этому определению: они построены по плану, заложенному в ДНК, и выполняют строго определенные функции. Части белков - молекулы-мономеры - не похожи друг на друга, они имеют различную форму и химический состав. При соединении разных мономеров получается большая органическая молекула - полимер. Такие белки-полимеры и становится молекулярными машинами, нанороботами. В каждом нанороботе-ферменте существует его «структурная часть» (аналог станины станка) и «активный центр» - рабочий инструмент. Почти как на любом заводе! Вот только размеры таких машин не имеют аналогов в неживой природе.
А если размеры машины необыкновенные, то и работа этих устройств непохожа на привычные нам действия. Ведь в наномире почти всё не так, как в нашем, человеческом макромире. Мы не зря вспомнили про паровую машину. Принципы работы паровой машины легли в основу термодинамики - науки о передаче и превращении энергии. Это случилось не потому, что паровая машина такая идеальная - просто тогда, когда складывалась термодинамика, других машин не было. А ее устройство особенно наглядно демонстрирует процессы превращения энергии.
Без передачи и превращения энергии, конечно, не могут существовать никакие организмы и отдельные клетки. Вся их жизнь, как мы уже писали выше, это постоянный процесс обмена энергией с окружающей средой, такой обмен, в котором производится определенная работа. Только паровая машина выполняет свою работу чрезвычайно грубо, если сравнивать ее с действиями нанороботов. Паровая машина имеет дело с огромной массой молекул (пара или газа). При нагревании эти молекулы всей массой стремятся вырваться на свободу (то есть достичь равновесия с внешней, холодной средой), давят на преграждающий им путь к свободе поршень и совершают работу.
В наномашинах все наоборот. Белок-наноробот не способен перемещать большие объемы материи - зато он видит каждую молекулу в отдельности и способен распоряжаться заключенной в ней энергией. Представьте, что такие устройства используются в паровой машине: с каждой молекулой пара «работает» наноробот, ловит ее и оттаскивает на положенное место, а потом отпускает.
Тогда станут лишними тяжелый поршень, гидравлические приводы, и вся машинка мощностью в тысячу лошадиных сил может стать крохотной, размером с флешку или чип. Правда, для этого понадобится столько же нанороботов, сколько в данном объеме молекул пара или газа, да еще и устройства нужны специальные, «наученные» работать именно по этой профессии. А таких в природе еще надо поискать. Но перспективы открываются заманчивые.
Однако, как ни волшебно выглядел бы паровоз, который помещается в кармане, работа реальной живой клетки выглядит еще фантастичнее. Ведь паровая машина (как и любая другая энергоустановка) всего лишь использует стремление любой субстанции к равновесию с внешней средой, а пределом равновесия является так называемая «тепловая смерть Вселенной» - такое состояние, когда все объекты мира, от молекул до галактик, станут одинаково теплыми или, вернее, одинаково холодными, и всякое движение прекратится.
Совсем другой вектор имеет работа нанороботов. Они, в отличие от паровой машины, не просто используют энтропию, а противоборствуют ей по мере сил. Лев Блюменфельд писал, что «молекулярная машина» управляет состояниями отдельных молекул. Имея дело с молекулой вещества, нанороботы не позволяют ей двигаться хаотически - они переносят молекулы туда, куда нужно клетке для ее питания и роста, регулируют химию и физику процессов .
В конечном счете, энергия пара в котле (или энергия горящего топлива в автомобильном двигателе) - это сумма энергий движения отдельных молекул пара или другого «рабочего тела». Но когда паровая машина «складывает» эти энергии отдельных молекул, то при «обобщении» возникают неизбежные потери. Какие-то молекулы просачиваются сквозь щели в устройстве, какие-то залетают в угол без всякой пользы и т.п. Происходит примерно то же самое, что при плохом учете в крупном хозяйстве: часть товаров и материалов портится на складе, не принимая участия в производстве, другая часть направляется не по назначению, третью растаскивают грызуны... При оперировании миллионами и миллиардами объектов «усушка и утряска» неизбежны. Но они станут невозможны, если учитывается каждый предмет отдельно, если всё поставлено на учет, и у каждой вещи есть свой собственный кладовщик.
Конечно, в нашем мире это неосуществимо. Нам выгоднее потерять часть продуктов, чем оплачивать труд миллионов счетоводов и контролеров. Но в наномире свои представления о том, что выгодно и что невыгодно. Поэтому и КПД у машины-белка не 8 процентов, как у паровоза, а чуть ли не в 10 раз больше!
От классической машины белковые молекулярные машины отличаются еще одной особенностью. В обычной энергетической установке сама машина (ее механизм, корпус) и «рабочее тело» (водяной или бензиновый пар) - это разные объекты. Наноробот представляет собой, как правило, одновременно и механизм, и рабочее тело. Потоки энергии не струятся мимо нанороботов в виде пара или огня - они движутся в них самих в ходе химических реакций.
Микротрубочка - источник мысли?
Самый распространенный тип нанороботов - известные с XIX века ферменты. Только ферментов насчитывается около пяти тысяч разновидностей. Это особые белки - катализаторы биохимических процессов, которые без их участия шли бы во много раз медленнее.
Ферменты - белковые машины с жесткой программой. Каждый из них приспособлен для решения совершенно конкретной задачи. Но все они так или иначе являются катализаторами химических реакций, то есть помогают превращению одних веществ в другие. Вернее, ферменты просто превращают одну химическую реакцию, которая должна была бы идти «естественным путем» без особой пользы для клетки и организма, в другую - полезную. Как уже говорилось, они переправляют реакцию с пути наименьшего сопротивления (который дает мало энергии) на путь трудный, но зато энергетически эффективный.
Другой тип нанороботов - ремонтники. Хотя ДНК - молекула устойчивая, все же она может повреждаться. Причиной этого являются радиация, мутагенные вещества, свободные радикалы. Особую роль играет «депуринизация» - выщепление азотистых оснований молекулы ДНК, то есть, по сути, ее разрушение. В простом (неживом) растворе этот процесс идет достаточно быстро, и если бы то же самое происходило в клетке, ДНК не прожила бы более недели, и клетка была бы обречена на гибель. Впрочем, и ДНК каждой клетки человека теряет за сутки около пяти тысяч пуриновых оснований. Но в клетке работают особые устройства - репарационные комплексы («репарация» по латыни означает «восстановление»). Их можно сравнить с ремонтной бригадой на железной дороге, которая все время ездит по рельсам, находит повреждения и исправляет их. Репаразы способны восстанавливать даже радиационные повреждения ДНК. Сложность работы репараз (как, впрочем, и других нанороботов) вызывает восхищение - компьютер с трудом может смоделировать их действия. Для постижения работы этих устройств требуется знание высшей математики и квантовой физики.
Процесс деления клетки - будь то митоз или мейоз - это один из самых фантастических процессов во Вселенной. Он обслуживается огромной командой нанороботов. Кроме тех, что связаны с удвоением ДНК, в эту команду включены нанороботы центриолей. Центриоли представляют собой своеобразные полюса, вокруг которых закручивается «веретено» генетического материала. Состоят они из 27 цилиндрических элементов - «микротрубочек», - в основе которых лежат молекулы белка тубулина .
Помимо работы по размножению клетки, микротрубочки участвуют в создании цитоскелета: без их поддержки клетка превратилась бы в аморфную каплю. Микротрубочки также работают трубопроводами - по ним передаются вещества из одного конца клетки в другой.
Казалось бы, роль центриолей в работе клетки чисто механическая. Однако именно эти органоиды американский биолог Гюнтер Альбрехт-Бюлер (кстати, физик по образованию) назвал «мозгом клетки». Другой биолог из США, Стюарт Хамерофф , высказал предположение, что именно с микротрубочками, лежащими в основе структуры центриолей, связано самое удивительное явление во всей Вселенной - сознание.
Такая идея возникла у Хамероффа благодаря тому, что по основной профессии он врач-анестезиолог. В один прекрасный день он обнаружил, что некоторые вещества, которые применяют в анестезии (наркозе), изменяют строение нанотрубочек, заключенных в отростках нервных клеток (аксонах и дендритах).
Мысль Хамероффа развивалась примерно так: анестезия является способом отключения сознания. Отключенному сознанию соответствуют измененные микротрубочки. Значит, микротрубочки в их естественном, неизмененном виде и являются носителями «включенного» сознания.
Правда, позже выяснилось, что далеко не все анестезирующие вещества так заметно влияют на микротрубочки. Но ученый, тем не менее, продолжал развивать свою теорию и в конце концов выпустил книгу, в которой утверждал, что микротрубочки являются аппаратами вычисления и интегрирования информации в мозге . Если гипотеза Хамероффа верна, выходит, что среди нанороботов есть не только «химики» и «ремонтники», но и нанокомпьютеры. Есть и другая гипотеза опирающаяся на тот факт, что водородная связь является идеальной ячейкой для кубита (квантового бита - единицы квантовых вычислений) - в ней протон может находиться либо в одной, либо в другой энергетической «яме», совершая между ними «квантовые скачки». С этих позиций само наше сознание определяется совокупностью операций нанокомпьютеров.
Хотя другие ученые не согласны с таким механистическим подходом не только к человеческому сознанию, но и к работе живой клетки. Опровержение или доказательство этой гипотезы - дело науки будущего, может быть, не столь уж отдаленного.
Инфузория-туфелька, душа клетки и компьютерные алгоритмы
Совместная, точно согласованная работа миллионов нанороботов создает то уникальное явление, которое мы называем «жизнью». Можно ли воспроизвести такую систему искусственно? Художник Евгений Подколзин в шуточной форме изобразил действия нанороботов в клетке (рис. 7).
Рисунок 7. Работа нанороботов в клетке.
Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него.
рисунок Евгения Подколзина
Создание живого существа в пробирке - давняя мечта алхимиков. В литературе образ такого мечтателя создал Гете в «Фаусте». В XIX веке были наивные с современной точки зрения попытки создать «искусственную клетку». В наши дни с заявлением о создании искусственной живой клетки (которой даже дали имя: Синтия , Cynthia по-латыни) выступил Крейг Вентер - руководитель и фирмы Human Longevity, Inc. . Он с успехом участвовал в программе «Геном человека», поставил и решил задачу создания искусственной ДНК. В 2010 году он ввел созданный им искусственный геном в одноклеточный организм Mycoplasma micoides - и этот геном, как и следовало ожидать, работал, производя нужные белки.
Но заявление о том, что ему удалось создать живую клетку - явное преувеличение. Эту работу можно сравнить с созданием программы для компьютера - но не с созданием самого компьютера. ДНК - это всего лишь программа, и, если бы в микоплазме не работали миллионы нанороботов, полученных клеткой «по наследству», программа осталась бы просто текстом, который некому было бы читать.
Но, несмотря на успехи и неудачи Вентера, изучение нанороботов живой клетки и принципов их работы на самом деле открывает совершенно новые возможности для нанотехнологий. В 60-е годы ХХ века возникла бионика - «наука об использовании биологических прототипов для поиска новых технических решений». В XXI веке наука уже ищет идеи для создания новых нанотехнологических устройств в живой клетке. Этим занимается новая наука XXI века - нанобионика .
Создание реальных нанороботов и использование их биологических прототипов поможет решить проблемы в самых неожиданных областях - от медицины до экологии и того, что раньше называли кибернетикой , а теперь информационными технологиями. Уже появились накопители информации на базе препарата «Биохром», использующие способность фоточувствительного белка бактериородопсина менять свою конформацию (пространственное расположение атомов) при поглощении кванта света. Изобретена революционная методика, позволяющая выявить в пробе воздуха или жидкости даже одну (!) молекулу РНК, которая может быть связана с инфекцией.
Исследования в области нанобионики позволят вдохнуть новую жизнь и в интереснейшее научное направление - цитоэтологию , науку о поведении клеток, в основе которого лежит координированное взаимодействие клеточных нанороботов. О необходимости развития исследований в области цитоэтологии писал биолог Владимир Александров (рис. 8), опубликовавший в 1970 году до сих пор не утратившую своего значения статью «Проблема поведения на клеточном уровне - цитоэтология » . В ней он осмелился в эпоху «диалектического материализма» заявить: «У клеточных органоидов и самих клеток есть своя маленькая, но душа ».
Действительно, поведение нанороботов и живых клеток заставляет задуматься о принципиальном отличии их от стандартных технических систем. Кажется невероятным, но, возможно, именно на этом уровне возникает то свойство живых систем, которое на уровне организма (в особенности ярко - у человека) называется «свободой воли». Это очень глубокая проблема на стыке биофизики, квантовой механики, философии и богословия. Если и сравнивать живую клетку с компьютером, стоит задуматься - а не является ли этот компьютер квантовым?
Первым известным ученым, который предложил модель квантового компьютера, был Ричард Фейнман - тот самый физик, который в свободное от основной работы время рассматривал в микроскоп инфузорию-туфельку, а идею квантовых вычислений за год до Фейнмана высказал российский физик Юрий Манин.
Полноценный квантовый компьютер до сих пор не создан, хотя уже имеются первые действующие модели и написаны программы для таких компьютеров. Главным отличием квантовой вычислительной машины от обыкновенной станет работа по принципам не классической, а квантовой механики. Как известно, квантовая механика допускает такие состояния вещества, которые, будучи перенесены в наш мир, показались бы чудесными (например, одновременное пребывание одной частицы в двух разных местах). Подобные квантовые эффекты лягут в основу программных алгоритмов для новых компьютеров. А это позволит решать такие задачи, какие и не снились сегодняшним «счетным машинам». Квантовый «мозг» сможет впервые соответствовать сложности процессов, происходящих в живой природе - например, в той же самой живой клетке.
Нынешние машины могут работать только с моделями, то есть с упрощенными образами реальности. Для квантового компьютера биологическая (и, например, астрономическая) реальность впервые будет по «зубам».
Интересно, что именно сложность биологических процессов и привела Фейнмана (и его единомышленников) к идее квантового компьютера. Вполне возможно, что идея создания такой машины возникла у него в результате наблюдений за той самой парамецией.
Похоже, получился замкнутый круг: физики считают живые клетки квантовыми компьютерами, разобраться в работе которых можно только с помощью квантовых вычислений. Выход из этого круга возможен после создания настоящего мощного компьютера на основе квантовых процессов.
Сегодня такие устройства требуют глубокого охлаждения и могут обрабатывать в лучшем случае несколько сотен кубитов. Кроме того, инженеры пока не придумали, как защитить квантовый мозг от электромагнитных и других воздействий, к которым новый вычислитель будет гораздо чувствительнее привычных нам «персоналок». Судя по всему, живая клетка хранит тайну квантовой обработки информации с гораздо большим объемом вычислений, обладая при этом неплохой защищенностью от внешних воздействий.
Открыть и изучить эти процессы - задача для новых поколений цитологов и биофизиков. Желаем им успехов!
Расширенный вариант статьи готовится к печати в альманахе «Хочу все знать» (издательство «Дом детской книги», СПб.). Авторы выражают благодарность редактору альманаха Сергею Иванову за плодотворные дискуссии, художнику Евгению Подколзину за любезно предоставленные картинки, а издателю Алле Насоновой - за разрешение использовать материал из альманаха в данной статье.
Литература
- Фейнман Р.Ф. «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» М.: «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. - 87 с.;
- Бауэр Э.С. Теоретическая биология . М.-Л.: издательство ВИЭМ, 1935. - 150 с.;
- Сказка-комикс о великой битве между радикалами и антиоксидантами;. Белковые моторы: на службе у человека и нанотехнологий ;
- Вся теория в трубу . (2012). «Лента.Ру» ;
- Режабек Б.Г. (1998). Развитие и современное состояние представлений о биологических усилителях. Конференция памяти П.Г. Кузнецова ;
- С геномом налегке: минимальный размер бактериального генома - это сколько? ;
- Коган А.Б., Наумов Н.П., Режабек В.Г., Чораян О.Г. Биологическая кибернетика . М.: «Высшая школа», 1972. - 382 с.;
- Александров В.Я. Поведение клеток и внутриклеточных структур . М.: «Знание», 1975. - 64 с..