Текст книги "Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности"

В отличие от описанного выше развития технологии «сверху вниз», архетип биологического подхода «снизу вверх» характеризуется следующим набором особенностей:

• Образование и рост структур происходит по совершенно иным механизмам (репликация, эволюция и самоорганизация) в трехмерных и жидких средах.

• Основные ограничения взаимодействий обусловлены контактом с неорганическим окружением.

• Возможности теоретического исследования процессов ограничены и сводятся к использованию зачаточных представлений о биологии систем вообще, некоторых положений теории сложности и очень упрощенных данных о процессах возникновения структур.

• Все рассматриваемые в технологиях «снизу вверх» процессы характеризуются сильным влиянием иерархии масштабов исходных элементов и заложенным в эти элементы цифровым генетическим кодом.

Последний пункт имеет особую важность для биологических и медицинских исследований, поскольку практически все процессы, обеспечивающие жизнедеятельность человеческого организма, происходят за счет иерархически выстроенных процессов передачи информации. Биологам уже известно, что внутри клеток посредством рибосом постоянно осуществляется пересылка «оцифрованных инструкций» (в виде матричной или информационной РНК, мРНК), в соответствии с которыми и происходит формирование белков из аминокислот. Эти процессы имеют очень сложный характер и осуществляются через образование последовательности так называемых конкатенатов (комплексов из топологически связанных замкнутых молекул ДНК). Сама рибосома представляет собой поразительно эффективный и надежный образец «молекулярной машины», о которой так часто говорят в нанотехнологии. Эта структура с характерными размерами около 20 нм содержит всего 99 000 атомов, и с нее начинается процесс репликации и усложнения биологических систем. В соответствии с механизмом роста происходит непрерывное считывание генетического кода, заложенного в ДНК, который по очень многим каналам обратной связи вызывает последовательное укрупнение масштабов роста, вплоть до образования макроскопических живых организмов. В настоящее время биологи, образно говоря, поступают подобно компьютерным хакерам, взламывающим коды чужих систем и использующим содержащуюся в них информацию.

Можем ли мы использовать столь сложные процессы в молекулярной электронике и нанотехнологии вообще? В чем состоит их привлекательность для ученых и технологов? Прежде всего, использование биологических процессов дает нам возможность быстро находить новые технические решения, пользуясь уже созданными природой рецептами и компонентами. Биология предоставляет нам огромный выбор самых разнообразных «заготовок» в виде молекул и субсистем, которые уже сейчас используются для совершенно иных целей. Ниже приводятся удачные примеры инженернотехнического применения биологических систем.

Например, специалистам НАСА из Центра имени Эймса удалось выделить самоорганизующиеся белки из так называемых термофильных бактерий и, подвергнув их генетической модификации, создать на их основе абсолютно новое техническое устройство. Белки были осаждены на электродах таким образом, что из них образовалась регулярная решетка, или сетка (с промежутками в 17 нм), которая оказалась очень удобной средой для магнитной записи информации в дисководах или для производства солнечных батарей.

Сотрудники Массачусетского технологического института методом искусственной, ускоренной эволюции смогли не только быстро вывести новые штаммы бактериофага М13, но и инфицировать этими штаммами бактерии, в результате чего последние неожиданно оказались способны перерабатывать полупроводниковые материалы, изменяя их структуру с молекулярной точностью.

Крейг Вентер и Гамильтон Смит из Института альтернативной биологической энергетики (Institute for Biological Energy Alternatives, IBEA) в настоящее время осуществляют интересный проект под названием «минимальный геном» (Minimal Genome Project). Им удалось выделить из мочеполового тракта человек микроорганизм Mycoplasma genitalium и удалить из него 200 «бесполезных» генов, после чего в их распоряжении оказался как бы простейший организм, способный к саморепликации (заинтересовавшийся читатель может более подробно ознакомиться с этой работой по статье «Неестественный отбор» в газете «Время новостей» зот 03.07.2007. Прим. перев.). Сейчас исследователи пытаются использовать созданный искусственный геном в технических целях, придавая ему новые функциональные способности, позволяющие, например, получать водород при фотолизе воды под воздействием солнечного света.

Основные трудности в разработках, связанных с процессами «снизу вверх», обусловлены тем, что мы плохо понимаем закономерности явлений в этих микроскопических, но очень сложных системах, и нас может утешать лишь наблюдаемое в последние годы стремительное накопление экспериментальных и теоретических данных о них. Бурное развитие нанонауки привело к тому, что за последнее десятилетие в некоторых разделах генетики и медицины было получено больше сведений, чем за всю предыдущую историю науки. Кстати, упомянутый выше проект изучения микробов с минимальным геномом имеет особую ценность для биологии, поскольку с его помощью ученые надеются понять принципиально важный для биологии в целом механизм функционирования целостной протеомы и ее метаболизма. Дело в том, что действие генетического кода человека является исключительно сложным и связано с очень запутанной системой обратных связей, вследствие чего ученые надеются разгадать некоторые его тайны, пользуясь такими простейшими организмами, построенными по принципу «один ген – один белок».

В ближайшие годы сразу несколько фирм приступят к реализации проектов, нацеленных на объединение достоинств обоих описанных выше подходов. Речь идет о попытках практически организовать самосборку органических молекул по принципу «снизу вверх» на изготовленных методами «сверху вниз» кристаллических подложках. Заранее подготовив некоторые участки подложек для самосборки, технологи надеются получить коммерческую продукцию, большим преимуществом которой будет наличие уже сформированного рынка.

Например, фирма ZettaCore в Денвере приступает к производству молекулярных запоминающих устройств, принцип действия которых напоминает механизм усвоения энергии хлорофиллом. Фирма использует синтетические органические молекулы порфирина, которые на поверхности облучаемой кремниевой пластины способны к самоорганизации, или самосборке. При этом образуются мультипорфириновые наноструктуры, способные окисляться и восстанавливаться (теряя или присоединяя электроны соответственно). Процессы окисления-восстановления являются устойчивыми, воспроизводимыми и обратимыми, что позволяет использовать такие поверхности в качестве надежных сред записи информации в различных электронных устройствах. Более того, такая среда не только может хранить информацию достаточно долго, но и позволяет записать значительно больший объем информации, чем обычные диски, так как благодаря возможным пространственным конфигурациям каждая молекула имеет восемь разных устойчивых состояний.

В будущем технологи планируют создать на этой основе крупные трехмерные запоминающие устройства с ничтожным энергопотреблением, а сейчас им удается только довести характеристики новых сред до стандартного уровня существующих двухмерных дисков. Наиболее интересным и перспективным для коммерциализации обстоятельством выступает тот факт, что конечный продукт, то есть производимый фирмой ZettaCore чип для запоминающих устройств, внешне ничем не отличается от существующих кремниевых чипов, так что потребитель может даже не догадываться о его сложном внутреннем «нано-устройстве». Новый чип будет обеспечивать большую плотность записи всего устройства в целом, но при этом разъемы, контакты, декодеры, усилители и т. п. будут производиться обычными методами и соответствовать всем существующим стандартам полупроводниковой техники. Лишь на последней технологической стадии поверхность кремниевых кристаллов будет «заливаться» требуемыми молекулами, которые и начнут процессы самосборки на подготовленных участках.

С точки зрения коммерциализации проект сулит безусловные и важные преимущества, поскольку новые устройства могут сразу занять свою «нишу» на рынке, так как они совместимы со всем ранее выпущенным оборудованием. Кроме того, реорганизация производства не будет очень сложной, поскольку в процесс изготовления следует добавить лишь несколько технологических операций, причем на конечных этапах. Последнее условие имеет особое значение, поскольку любое изменение технологии на ранних этапах обработки может оказывать какое-то косвенное воздействие на последующие операции (обычно такие изменения в технологии всегда сопровождаются дополнительными проверками, что, естественно, затягивает процесс внедрения).

Уже накопленный опыт фирмы ZettaCore позволяет предположить, что первых успехов в молекулярной электронике можно ожидать в производстве простых, одномерных структур (например, химических датчиков) или двухмерных самоорганизующихся структур на стандартных кремниевых подложках, таких как чипы для запоминающих устройств, решетки из датчиков, дисплеи, солнечные батареи и т. п.

Сроки коммерциализации любого научного проекта определяются не только техническими трудностями создания конкретного продукта, но и весьма существенно зависят от его стоимости и масштабов производства. Инновационный бизнес очень часто строится на взаимоотношениях разработчика с более крупными фирмами-производителями, успешное сотрудничество с которыми может значительно ускорить продвижение нового товара на рынок. Это обстоятельство, естественно, связано с правами на интеллектуальную собственность.

Степень защиты прав на интеллектуальную собственность в нанотехнологии обычно определяется областью бизнеса, к которой относится инновация, и желаемой степенью защиты. Например, если разработчик желает серьезно защитить патентами состав предлагаемого им нового материала, он может воспользоваться системой патентования и лицензирования, уже существующей в биотехнологии. Создатели устройств молекулярной электроники, например, должны подбирать себе в качестве партнеров (для организации производства, маркетинга и продажи) крупные компании, связанные с полупроводниковой техникой, а биотехнологические лаборатории ищут связи с крупными фармакологическими компаниями (для проведения клинических испытаний, маркетинга, продажи и распространения). В каждом таком случае более крупный и влиятельный партнер несет значительные расходы на этапе подготовки производства и оформления документов (в настоящее время они обычно составляют около 100 миллионов долларов), а инновационная фирма надеется получить прибыль в виде так называемой лицензионной платы (роялти).

Легко заметить, что стоимость сделок с интеллектуальной собственностью сильно зависит от того, к какой области бизнеса относится инновация и насколько защищены в ней права на используемую интеллектуальную собственность. Например, в производстве программного обеспечения ситуация такова, что у любого разработчика очень мало шансов завязать партнерские отношения с фирмой Microsoft и получить от нее лицензионную плату. Производственное партнерство является распространенной практикой в полупроводниковой промышленности, где часто используется модель бизнеса, при которой принято разделять на части общую стоимость продукта. Обычно эта стоимость рассматривается в качестве единого параметра, складывающегося из стоимости отдельных этапов изготовления продукта: концептуализация, проектирование, производство, испытания, упаковка. Разделение стоимости по этапам обусловлено тем, что производство в полупроводниковой промышленности требует больших капитальных затрат. Эта модель иногда очень удобна для малых компаний, желающих быстро организовать производство своих товаров, однако в дальнейшем такие компании могут столкнуться с проблемами обеспечения доступа к рынку, маркетинга, распределения и продажи.

Серьезное рассмотрение проблем программного обеспечения устройств молекулярной электроники в свете рассматриваемого нами закона Мура приводит нас к необходимости анализа целой последовательности, или «лестницы», абстрактных понятий, связанных с объединением и усложнением систем вообще.

В отличие от обычных чипов или интегральных схем (представляющих собой просто упорядоченный набор элементов) использование процессоров и логических схем всегда основано на сложной и многоуровневой системе связи с окружением. Разработчиков логических микросхем постоянно беспокоит не число используемых транзисторов, а проблема правильной компоновки и соединений. Некоторые компании, связанные с разработкой процессоров следующих поколений, даже выработали новый подход к усовершенствованию «кремниевых систем» с распределенными связями, при котором локализуются «зашитые» программы, после чего проектировщики могут повышать качество не за счет монтажа и новых логических вентилей, а используя языки высокого уровня. Введение такой иерархии элементов (и абстрактных понятий) может значительно облегчить работу проектировщиков компьютерной техники.

Интересно рассмотреть следующую проблему, которая на первый взгляд может показаться слишком общей и расплывчатой. Дело в том, что когнитивные (познавательные) возможности человека представляются относительно ограниченными и постоянными, в то время как закон Мура как бы безоговорочно (и даже «безжалостно») диктует непрерывный рост совершенствования. Экспоненциальный рост интеллектуальной мощи человека действительно происходит, но он обеспечивается использованием все более совершенных инструментов и вычислительных устройств. Например, за последние десятилетия человеческий разум добился блестящих успехов в развитии аппаратных средств вычислительной техники. Сейчас дальнейший рост чисто технических возможностей аппаратуры усложняется, и это наводит на мысль, что следующие этапы развития интеллекта могут быть связаны лишь с развитием абстракций в области программного обеспечения (поясню, что слово «абстракция» в данном случае – возможность описания и использования сложной системы без детального знания реальной внутренней структуры). По-видимому, дальнейшее усложнение и повышение характеристик вычислительных систем будет неизбежно связано с развитием так называемых сложно-распределенных систем (иногда упоминается возможность создания «распределенного интеллекта»). Образно говоря, это означает возникновение новых идей и «вдохновения» на основе биологии.

В настоящее время ученые многих стран включились в «гонку», связанную с полным описанием генома человека и расшифровкой протеомы. Конечно, эти исследования имеют огромное значение собственно для медицины (они и начинались с поисков новых методов диагностики и лечения), однако, мне кажется, что они приведут к возникновению множества интересных идей и моделей в программировании и развитии теории сложных систем.

Уже сейчас многие важные задачи программного обеспечения оказываются связанными с развитием и функционированием очень сложных систем, напоминающих биологические, а в некоторых случаях эти задачи имеют прямые биологические аналоги (которые, по-видимому, можно назвать биологическими метафорами). Я перечислю лишь наиболее известные из проблем и конкретных проектов, родство которых с биологией проявляется даже в названиях: «Биомиметика», «Искусственная эволюция», «Генетические алгоритмы», «A-жизнь», «Возникновение» (Emergence), Automatic Computing initiative фирмы IBM, Viral Marketing, Mesh «Сито», Hives «Пчелиные улья», Neural Network «Нейронная сеть», Subsumption architecture в робототехнике и т. п. В известном институте Санта-Фе недавно приступили к реализации исследовательского проекта с символическим названием BioComp.

Иными словами, сейчас биология вдохновляет и направляет информационные технологии (ИТ), которые, в свою очередь, способствуют бурному развитию самой биологии. Связь ИТ с биологией представляется почти очевидной. Предлагаю читателю подумать о следующей проблеме. Генетический код каждого человека представляет собой полную биологическую программу, описывающую рост и работу клеток, органов, тела и мозга. Эта программа вполне может быть записана на компакт-диске CD, причем эта запись займет меньше места, чем программа Microsoft Office. Ничего сложного в этом нет, так как речь идет о цифровой записи текста, закодированного всего четырьмя «буквами», в качестве которых выступают четыре химических основания, входящие в состав ДНК (их обозначают буквами A, B, C и D). Объем всей записи составляет 750 MB и может быть очень сильно сжат из-за наличия в цепочке ДНК «ненужной» информации. Многие ученые убеждены в том, что основную часть генома человека занимают «отходы» эволюционного процесса, то есть большие участки ДНК не имеют практической ценности для жизнедеятельности. Это позволяет снизить объем требуемой информации до 60 MB. Устанавливая недавно офисную программу, я вновь поразился тому, сколь малым количеством информации описывается чудо человеческой жизни. Речь идет, конечно, о биологическом организме, а исключительная сложность нашего поведения объясняется использованием в мозгу нелинейной (так называемой нечеткой) логики с множеством обратных связей через электрические, физические и химические взаимодействия.

Например, уже в мозгу человеческого зародыша закладывается первичная межнейронная «связь», основанная на существовании химических градиентов. в мозгу взрослого человека существует такое огромное количество нейронных связей, что для их записи и описания объем ДНК является просто недостаточным (мозг содержит около 100 триллионов так называемых синапсов, или каналов связи, между 60 миллиардами нейронов). Столь сложная система не может быть просто «инсталлирована» (подобно обычной программе Microsoft Office), а ее появление скорее следует описывать термином «выращивание». Рост системы происходит сначала посредством образования связей между «статическими вихрями» положительной электрохимической обратной связи, а позднее за счет усиления наиболее часто используемых обратных связей и их непрерывного роста. Примерно к возрасту 2–3 года человеческий мозг формируется в общих чертах, образуя систему с квадрильоном синапсов.

Мозг человека давно служит образцом или целью множества исследований, посвященных искусственному интеллекту (ИИ). Исходной моделью для программистов часто выступала нейронная сеть с очень развитой (или даже полной) связью между узлами, которая затем развивается за счет усиления и развития связей, использующихся чаще. Итерационные процессы, приводящие к усилению таких соединений, заставляют систему развиваться и создают в ней новые цепочки обратных связей. Вначале развитие систем ИИ такого вида происходит по заданным правилам, однако постепенно они начинают «выходить» за рамки исходных программ, после чего часто приобретают способность осуществлять некоторые характерные для человека действия. Такие искусственные нейронные сети можно научить распознавать человеческую речь и некоторые образы, преодолевать внешние «шумы» и т. д. Очень часто, пользуясь именно таким «саморазвитием» систем, ученым удавалось решить сложные задачи, с которыми не справлялись традиционные компьютерные программы.

Закодированная в ДНК программа является исключительно мощной, поскольку в ней «спрятано» множество обратных связей, обусловленных сложными взаимодействиями между множеством генов. Например, так называемые регуляторные гены производят белки, которые способны реагировать на внешние или внутренние сигналы, регулируя активность ранее созданных белков или других генов. В результате работы этой сложнейшей биохимической «машины» возникает то, что можно назвать разветвленной системой прямого и косвенного управления.

Высокий уровень общей сложности рассматриваемых систем обрекает на неудачу многие попытки регулировать их поведение за счет очень ограниченного знания относительно побочных эффектов (это часто проявляется в тех случаях, когда исследователи изменяют лишь один ген ДНК и пытаются проследить и понять последствия этого действия). Например, недавно генетические эксперименты позволили повысить способность к запоминанию, но оказалось, что одновременно это повышает чувствительность организма к болевым ощущениям!

Продолжая аналогию, можно сказать, что наш генетический код представляет собой очень плотную сеть с множеством гиперссылок, напоминающую паутину связей в Интернете. Компьютерщики и программисты уже не раз с удивлением обнаруживали, насколько эффективным может оказаться использование непрямых указателей или так называемых рекурсивных связей. В самое последнее время биологические системы «вдохновили» исследователей на развитие эволюционного программирования, при котором создаваемые программы могут изменяться и развиваться за счет взаимной конкуренции, что весьма напоминает процессы естественного отбора при мутациях в биологии. Попытки такого рода позволяют перекинуть мостик от локальных процессов оптимизации (давно известных в математике) к общим задачам эволюции.

Нельзя забывать, что мы имеем дело с очень сложными системами и практически не имеем опыта долговременного общения с искусственно эволюционирующими системами. Наши знания в этой области очень ограниченны. Одним из примеров может служить появление в биологических системах нейронов, что привело к детерминистическому развитию многих важных функций живых существ. Именно с появлением нейронов биологи связывают с так называемый кембрийский взрыв в развитии биологических форм, когда за короткое время резко возросла структурная сложность организмов и на планете появилась разумная жизнь. До этого биологическая жизнь на Земле ограничивалась только существованием капель из клеток, но возникновение у них нейронов позволило быстро сформироваться значительно более сложным формам.

Последние достижения в робототехнике напоминают об архитектуре, характерной для биологической эволюции, когда полный набор правил поведения и реакций всей системы создается постепенно и по принципу «снизу вверх». Наиболее простые «рефлексы» таких роботов вырабатываются на самых ранних стадиях развития и остаются в дальнейшем неизменными, хотя вся система в целом продолжает усложняться. Субсистемы, возникающие в самом начале развития, входят затем в состав более сложных образований, выполняя более сложные функции, и т. п. В этих случаях разработчики часто не могут предсказать поведение развиваемой ими модели, поскольку ее архитектура напоминает строение нейронной цепи.

Мировую паутину (Web) можно считать первым в истории крупномасштабным экспериментом выращивания распределенной технологической системы по законам биологии. Развитие новых видов программного обеспечения и появление связанных с сетью дешевых «встроенных» систем служат косвенным доказательством того, что новые формы искусственной жизни скорее самопроизвольно возникнут в Интернете, чем в результате усилий программистов. Кстати, выше я уже использовал чисто биологическую метафору viral (вирулентный, вирусный) в названии одного из проектов, посвященных существующей в сети экономике.