Текст книги "Мегатех. Технологии и общество 2050 года в прогнозах ученых и писателей"

Эта работа поддерживается Министерством энергетики США по грантовому контракту № DE-SC0012567.

3. Возможности биотехнологий

Роберт Карлсон

Биология откроет исключительные возможности для отдельных лиц, компаний и целых экономик – от медицины до промышленности.

В 2050 году «The Economist» сможет попадать прямо в ваш мозг. Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) хочет построить мост между цифровыми устройствами и корой больших полушарий человеческого мозга. Этот проект стоимостью в 60 млн долларов преследует весьма смелую цель: привить мозгу универсальные цифровые функции для ввода и вывода информации. Трудно предположить, что может произойти в результате такой интеграции. Но очевидно, что будущее биологии не ограничивается лишь тем, что мы способны представить себе сегодня. Прямое слияние электронных и биологических вычислений позволит расширить возможности как живой, так и неживой материи в новых и совершенно непредсказуемых направлениях.

Менеджеры программ DARPA иногда называют этот нейронный интерфейс «кортикальным модемом». Проект опирается на значительный клинический опыт, полученный при подключении человеческих нейронов к электронным устройствам. Кохлеарные имплантаты и искусственные сетчатки используются уже в течение многих лет, восстанавливая соответственно слух и зрение людей. Проводятся клинические испытания имплантированных в мозг электродных массивов, использующихся для переноса нейронных сигналов мимо поврежденных участков позвоночника и обеспечения прямого нейронного управления роботизированными конечностями. В некоторых случаях такие нейронные протезы позволяли парализованным снова начать двигаться.

Тем не менее даже когда ученые добивались реального прогресса в создании «бионической женщины» (героиня американского телесериала), эта технология, по природе своей являющаяся разрушающим воздействием, встречается с разрушающим воздействием уже в отношении себя. Кибернетическое восстановление биологических функций скоро начнет конкурировать с регенерацией тканей и их заменой. Тканевые инженеры создают или выращивают пригодные для трансплантации внутренние органы, кости и соединительную ткань. Некоторые из этих нововведений все еще исследуются в лабораториях, тогда как другие уже вошли в клиническую практику – среди них такие разнообразные элементы, как мочевые пузыри, тазобедренные суставы, влагалища, трахеи, вены, артерии, яичники, уши, кожа, коленные мениски и «заплатки» для поврежденного сердца.

Прогресс ускоряется за счет разработки все более разнообразных методов изготовления тканей. Так же, как кортикальный модем расширит биологический потенциал человека, обеспечив возможность непосредственного участия в цифровых вычислениях, плоды последних дадут возможность создания новых средств манипулирования клетками. Возможно, тогда тканевые инженеры, сегодня ограничивающиеся выращиванием тканей из отдельных клеток в чашке Петри, смогут использовать 3D-принтеры, чтобы точно вставлять клетки в заготовку требуемого органа, выращиваемую на специальной матрице, называемой еще «скаффолд», точно так же, как детали автомобиля, самолета или смартфона устанавливаются на положенное им место в конструкции. Если рассматривать наши тела тоже как конструкцию, вскоре лечение станет заключаться в замене изношенных или поврежденных «деталей» новыми. Человеческий биоматериал можно будет обновлять.

Создание заменяющих тканей является лишь первым шагом в развитии регенеративной медицины, которая изначально улучшит качество жизни, а затем, скорее всего, значительно расширит ее. В ближайшие десятилетия начнут постепенно возникать варианты терапии, затрагивающие молекулярные механизмы старения. Постепенно они будут набирать обороты, и, может быть, придет день, когда нам не придется говорить: «Это конец». Однако последствия со временем будут накапливаться.

Люди не ограничатся хирургическими и фармацевтическими вмешательствами и вскоре начнут модифицировать свой геном. Сперва мы постараемся исключить из него определенные заболевания. Начнем с генетических, которые относительно легко идентифицировать – таких как бета-талассемия, болезнь Хантингтона и серповидноклеточная анемия. Затем займемся снижением риска возникновения болезни Альцгеймера, рака всех типов и болезней сердца.

Сегодня многие наблюдатели беспокоятся по поводу генетических изменений, внесенных в исследовательских целях в нежизнеспособные зиготы. Однако у возможности изменять геном будущих поколений потенциальные последствия более существенны. Не нужно даже особенно напрягаться, пытаясь перечислить то, что люди захотели бы генетически улучшить – здоровье, умственные и физические способности, внешний вид. Дискуссий о том, насколько далеко можно зайти в подобных изменениях, и о том, кто имеет право на доступ к ним или право отказывать в этом другим людям, хватит на десятилетия.

Независимо от хода этих обсуждений, спрос, вероятно, приведет к принятию быстрого решения. Оно будет основано на стремлении людей расширить унаследованный умственный и физический потенциал с помощью технологий. Мы ежедневно видим проявление этого желания в результатах работы косметической хирургии, в татуировках, в коррекции зрения, а также в использовании средств для улучшения достижений в спорте и учебе. Таким образом, даже если ремонт тел может быть чисто биологическим, спрос на расширенные возможности, скорее всего, приведет к разработке и внедрению технологии, включающей кортикальный модем.

Нейронный интерфейс обеспечит прямую связь между человеческим разумом и интернетом. Благодаря ей вся имеющаяся физическая, электронная и экономическая инфраструктура станет, если можно так выразиться, могучим экзоскелетом, обеспечивающим огромную силу тем, кто его носит. При помощи роботов, подключенных к Сети, мы проникнем в самые удаленные уголки планеты. Мы увеличим свою интеллектуальную мощь благодаря прямому доступу к библиотекам, суперкомпьютерам и космическим телескопам. Нашему разуму больше не придется всматриваться в окружающую действительность через две узкие щелки в черепе, поскольку он станет по-настоящему открытым для Вселенной – со всеми сопутствующими этому преимуществами и рисками.

Кортикальный модем, по определению, будет двухсторонним каналом связи. Подключение такого интерфейса к нейронам человека поднимает вопрос о том, что еще может быть включено в этот информационный поток. Если мы начнем потоковую передачу данных из Интернета в мозг, то попутно также импортируем и все проблемы, связанные с сетевой безопасностью, с которыми мы сталкиваемся сегодня (и, предположительно, с ныне еще даже не возникшими). Причем спам и вредоносные программы на смартфонах окажутся наименьшими из них. DARPA уже знает о потенциальных рисках и недавно ограничило силу идеального сустава бионического предплечья до «нормальной для человека» в основном по соображениям безопасности устройства, подключенного к Сети. Агентство обеспокоено возможностью взлома программы управления кибернетической рукой, если сила этой руки будет превосходить обычную, и неважно, кто предпримет попытку взлома – владелец руки или злоумышленник. И это только начало.

Но кто будет владеть паролем от вашего кортикального модема? Кто будет контролировать установку неизбежного потока обновлений программного обеспечения? Захотят ли силовые структуры через 35 лет иметь неограниченный доступ к вашему мозгу так же, как они сегодня настаивают на доступе к телефонным звонкам, электронной почте и содержимому вашего телефона или ноутбука? Как часто другие организации или люди будут использовать тот же канал доступа? Но даже перед лицом подобных проблем и рисков многие все же решат воспользоваться этими новыми технологиями.

Подобный прогноз сделать легко. Как остроумно заметил писатель-фантаст Уильям Гибсон: «Будущее уже здесь, оно просто еще неравномерно распределено». Научная фантастика – литература идей, и в лучших творениях этого жанра рассматриваются последствия возможного хода событий задолго до того, как они могут стать правдоподобными. Хотя первые робкие разработки элементарных нейронных протезов внедряются уже сегодня. Физика, химия или биология не ставят никаких реальных барьеров для развития этой технологии, прогресс будет зависеть лишь от скорости уменьшения нашего незнания того, как создавать эти устройства. Спрос на них, несомненно, окажется огромным, и динамика развертывания этого производства будет определяться скорее сроками разработки, чем ограничениями фундаментальной науки. И все же каждая технология таит свои сюрпризы. Сегодня «цифровой разрыв» дифференцированного доступа в Интернет считается формой образовательной дискриминации. Будут ли мозговые имплантаты разрушать или укреплять его? Какие социальные и экономические классы мы невольно выстроим, ведь степень совершенства природы каждого конкретного человека становится вопросом того, может ли он себе позволить последнее обновление программного обеспечения? Мы делаем реальные шаги к тому, что описано в первых главах каждого романа Гибсона, и нам следует быть готовым принять то, что пока еще только зрееет в его голове.

Генная инженерия, регенеративная медицина и информационные технологии в конце концов сольются воедино. Устранение несовместимости между обработкой информации и живой материей принесет как выгоду, так и проблемы – так же, как создание сетей породило сложности с безопасностью банковской деятельности, коммунальных услуг и производства. Что опять же подводит нас к Гибсону и начальным страницам его дебютного романа «Нейромант». Главный герой обнаруживает, что его новенькие только-только пересаженные органы были взломаны, и в организм запущен токсин, и герой не получит противоядие, пока не выполнит определенное задание. Уже проводятся клинические испытания различных искусственных органов, и когда будущее «равномерно распределится», нам придется столкнуться с вредоносными программами, установленными в наш биокомпьютерный материал. Что, если эти органы потребуют установки обновлений? Кто будет отвечать за управление этими обновлениями? И будут ли у них полномочия для запуска релизов нового кода через биологическую сеть подобно сегодняшним обновлениям программного обеспечения смартфонов? Другими словами, для настройки нам придется посетить врача или биологический код будет распространяться другими способами (возможно, восстанавливая первоначальный смысл понятия «вирус»)? Сможем ли мы отказаться от этих обновлений? В конечном счете у кого в руках будет находиться «пароль» нашей трансплантации и что это будет означать в данном контексте?

Опять же, как ни странно, ничто в этом сценарии не противоречит нашим знаниям из области физики, биологии или химии. Как и в случае кортикального модема, существует огромный спрос на технологии, которые уменьшат бремя болезней, улучшат качество жизни по мере старения человека, а затем преобразуют старение из чего-то, имеющего неизбежный конец, в управляемый непрерывный процесс. Впрочем, это будет долгая дорога.

И кортикальный модем, и регенеративная медицина являются примером того, как люди способны увлекаться техническим новаторством на фоне океана неизвестности. Мы пока не можем создать мозг или что-то, работающее подобным же образом, поскольку у нас нет полного понимания того, как функционируют составляющие его клетки – как по отдельности, так и все вместе. Тем не менее мы преодолеваем свое невежество, чтобы обеспечить для человеческой физиологии новые возможности. Теперь мы можем читать и писать на языке нейронов достаточно хорошо, чтобы подключать их непосредственно к неорганическим компьютерам. Мы достаточно хорошо контролируем поведение человеческих клеток, чтобы склеивать их в полезные формы. Которые, несмотря на то, что мы до сих пор не до конца понимаем их механизм, становятся действующими органами. Это свидетельствует о том, что масштабы биотехнологии в ближайшие десятилетия будут ограничены не тем, что мы сегодня знаем о биологических элементах, а тем, насколько хорошо мы сможем подобрать инструменты, чтобы все просто работало. Это modus operandi или образ действия, исторически приносящий людям огромную пользу.

Хотя мы пока только учимся эффективно и безопасно восстанавливать и модифицировать человеческие тела (включая геномы), читать и писать в лаборатории генетический код других организмов мы умеем уже на протяжении десятилетий. Спрос на подобные технологии очень велик. Для понимания направления движения очень важно правильно оценить экономический вклад биотехнологии, несмотря на раннюю стадию ее развития. Коммерческая деятельность, основанная на генетической модификации, постепенно и неуклонно становится основным благоприятствующим фактором американской экономики.

К 2012 году доходы США от биотехнологии превысили 2 % ВВП (рис. 3.1). Их можно разделить на три основных сектора: биология (то есть биофармакология), генетически модифицированные культуры и промышленная биотехнология (например, топливо, ферменты и материалы). Если рассматривать биотехнологию как самостоятельную отрасль, то в 2012 году она внесла в экономику США больший вклад, чем добыча полезных ископаемых (0,9 %), коммунальные услуги (1,5 %) или производство компьютерной и электронной продукции (1,6 %). Если относительная величина вклада биотехнологии и стала неожиданностью, то лишь потому, что ее недооценивали. Скажем, вклад полупроводников был замечен и оценен министерством торговли еще в 1958 году, когда он составлял менее 0,1 % ВВП. Но по состоянию на 2016 год до сих пор нет официальных данных о вкладе в экономику биотехнологий. В результате экономические последствия их применения каждый раз становятся неожиданными.

Рис. 3.1. Рост доходов США от биотехнологий, млрд долларов

Доходы от биотехнологии все чаще зависят от способности читать, изменять и записывать генетический код по одной паре оснований ДНК за раз. За последние 30 лет у автоматизированных приборов появилась способность взаимно преобразовывать электронные и биологические инструкции друг в друга. Очень важно обратить внимание на этот временной промежуток, поскольку он меньше времени, оставшегося до 2050 года, то есть до конца периода, рассматриваемого в этой книге. Еще через 30 лет эта технология станет недорогой, повсеместно распространенной и значительно более мощной. С 1985 года расходы на чтение и запись ДНК снижались, а почасовая пропускная способность приборов увеличивалась в геометрической прогрессии, удваиваясь каждые 18 месяцев. В последние годы производительность секвенирования росла гиперэкспоненциально, что обусловлено ростом спроса на чтение генома людей, возбудителей заболеваний, опухолей, сельскохозяйственных культур, домашних животных и любого другого естественно возникшего организма, до которого могут дотянуться руки ученых (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Кривая Карлсона на фоне закона Мура.

Синтез ДНК и производительность секвенирования[1]1
  Используя коммерчески доступные инструменты.


[Закрыть] по сравнению с количеством транзисторов на кристалле интегральной схемы

После оцифровки эти последовательности генов представляют собой набор инструкций, полезных для кодирования новых генетических возможностей в создаваемых организмах, сегодня это в основном микробы и растения. Одна ДНК может как содержать код одного белка, используемого в качестве фармацевтического препарата, так и целого фермента, при помощи которого можно получить любую молекулу, для производства которой сегодня требуется бочка нефти. После десятилетий обучения программированию биологии теперь в своих проектах мы не ограничиваемся лишь найденными в природе генами или их расположением.

Теперь можно разработать генетический код в соответствии с конкретными функциональными спецификациями, а затем включить эти инструкции в геном. Однако, как и в случае с кортикальным модемом и заменой тканей, мы начинаем проектировать генетические схемы, не зная, как работают все их составные части. Наиболее сложные коммерческие синтетические генетические схемы сегодня включают всего около 12 генов. Они вставлены в геном дрожжей, которые сами состоят из более чем 5000 генов, и о многих из них мы мало что знаем. В настоящее время биоинженерия занимается взломом сложной системы, которая была создана не людьми и документация на которую отсутствует. В течение следующих 30 лет на преодоление этого пробела в наших знаниях будут направлены серьезные средства.

Ближайшие десятилетия мы проведем в изучении того, как сочетаются друг с другом все части и системы, лежащие в основе жизни. Число этих компонентов, их функции и принципы взаимодействия конечны, и мало кто сомневается, что со временем мы опишем их полностью. По мере улучшения понимания растущий спрос на рынке неизбежно приведет к развитию возможностей технологии. Как будет выглядеть мир, когда мы наконец разберемся в том, что именно мы делаем?

Чтобы создать некоторое представление о будущем биоинженерии, давайте рассмотрим следующее упражнение по обратному инжинирингу. Чем бы показался авиалайнер «Boeing 777» в 1892 году, за столетие до его первого полета? В эпоху, когда автомобили были новинкой, а лошади с их навозом – все еще нормой повседневной жизни, каждый аспект современного летательного аппарата представлял бы собой загадку. Материалы и методы, используемые при его строительстве, двигатели и системы, удерживающие его в воздухе, вычислительные системы и меры управления сложностью, позволяющие автопилоту осуществлять 90 % взлетов и посадок в любую погоду все бы считалось совершенно невозможным. Хотя очевидно, что все это допустимо с точки зрения законов физики (которые не изменились). В 1892 году «Boeing 777» был просто за пределами фантазии и технических возможностей.

В течение последующих 100 лет элементы, в итоге составившие «Boeing 777», были улучшены, доработаны и объединены в эффективное единое целое, сегодня кажущееся будничным делом. Эта инфраструктура в настоящее время настолько развита и настолько хорошо интегрирована, что конструкторы могут сидеть за настольными компьютерами и управлять автоматизированными производственными линиями, разбросанными на территории половины земного шара.

Тем не менее мы до сих пор не до конца понимаем, как на несущих плоскостях создается подъемная сила в турбулентном воздушном потоке. Вместо того чтобы основывать разработки на подробном физическом описании полета, мы удовольствуемся вычислительными алгоритмами из области аэродинамики, данные для которых собраны многократным моделированием. В конечном счете именно на основании этого моделирования мы решаем вопрос о летной годности «Boeing 777». Тем не менее продукты, появляющиеся из авиационной системы «проектирование для промышленного производства», настолько безопасны и хорошо воспроизводимы, что мы регулярно засыпаем практически сразу после взлета. Тот факт, что современная авиация стала элементом повседневности, является впечатляющим ключом к будущему биотехнологии. Хотя это может показаться банальным, будущее заключается в том, чтобы сделать биологическое производство столь же скучным, как современные самолетостроение и самолетовождение.

Преобразование уже идет. Индустрия автоматизации биологического проектирования, аналогичная той, что стоит за современным самолетостроением, сегодня формируется из амбициозных стартапов, разбросанных по нескольким континентам. Основными заказчиками здесь являются крупные фармацевтические и промышленные биотехнологические компании, оказавшиеся неспособными самостоятельно переориентироваться на исследования и разработки в этом направлении. Когда «проектирование для промышленного производства» станет привычным аспектом биоинженерии, мы получим доступ к основополагающей технологии, которая может быть использована для построения почти всего, что мы видим в природе. В будущем границы биотехнологии будут расширяться и выходить далеко за пределы ограниченного списка биологических органов и процессов сегодняшнего дня.

По мере расширения способности манипулирования биологическими процессами наша креативность, чрезмерно ограничиваемая существующими сегодня представлениями, постепенно начнет освобождаться от стереотипов. Что именно мы станем создавать с использованием биологических компонентов, когда преодолеем воображаемые пределы, навязываемые нынешним миропониманием? Намеки на будущее можно разглядеть в другом проекте DARPA, направленном на использование биологии для изменения способа манипулирования неживой материей.

Стандартная синтетическая химия позволила создать целый зоопарк молекул, являющихся строительными блоками современной экономики. Производство многих продуктов сегодня возможно лишь благодаря свойствам молекул, созданных человеком. Синтетическая химия буквально преобразует наш мир, вспомните о пластмассах, покрытиях или катализаторах. Но она может быть использована для изготовления только части тех материалов, которые мы – теоретически – можем себе представить. Например, ферменты могут совершать настоящие химические подвиги, благодаря которым откроется доступ к гораздо большему количеству веществ. DARPA хочет расширить эту возможность и использовать новые комбинации ферментов для производства тысяч материалов, до сих пор никогда не существовавших. Более того, за 100 лет упорного труда мы изучили биохимию достаточно хорошо, и это позволило нам приступить к разработке новых ферментов с новыми возможностями, которые еще больше расширят спектр доступных материалов.

Помимо производства новых веществ, биотехнологии воспринимаются как важные функциональные компоненты систем, ныне производящихся из кремния и металла. В частности, они, скорее всего, изменят способ хранения цифровой информации.