Наниты что это такое


Наниты впервые были использованы на практике!

На протяжении долгого времени в научной фантастике говорилось о том, что в будущем для решения разных проблем будут использоваться крошечные роботы наниты. Наниты будут способны бороться с вирусными инфекциями, служить курьерами, доставляющими лекарства, помогать врачам проводить соответствующие операции и т. д. Некоторое время назад было объявлено о том, что прототип подобных нанитов уже был представлен шведскими учеными, но этот прототип был несовершенным, им невозможно было управлять.

Наноро́боты, или нанобо́ты — роботы, размером сопоставимые с молекулой (менее 100 нм), обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ.

Нанороботы, способные к созданию своих копий, то есть самовоспроизводству, называются репликаторами. Возможность создания нанороботов рассмотрел в своей книге «Машины создания» американский учёный Эрик Дрекслер.

Другие определения описывают наноробота как машину, способную точно взаимодействовать с наноразмерными объектами или способной манипулировать объектами в наномасштабе. Вследствие этого, даже крупные аппараты, такие как атомно-силовой микроскоп можно считать нанороботами, так как он производит манипуляции объектами на наноуровне. Кроме того, даже обычных роботов, которые могут перемещаться с наноразмерной точностью, можно считать нанороботами.

Кроме слова «наноробот» также используют выражения «нанит» и «наноген», однако, технически правильным термином в контексте серьёзных инженерных исследований все равно остается первый вариант.

Более интересную и работающую версию нанитов создали ученые из Калифорнийского университета. Результатом их исследований стали микроскопические роботы, способные доставлять лекарства внутри организма, не вызывая при этом болевых ощущений или побочных эффектов.

Созданные роботы перенесли на себе частицы лекарственных препаратов, используя в качестве топлива пузырьки газа. Газ, кстати, является продуктом жизнедеятельности живого существа, он образуется внутри желудка. В качестве первого испытателя выступила лабораторная мышь, при этом она не испытывала какие-либо неудобства и осталась цела.

Ученые говорят о том, что такой результат говорит о большом прогрессе в отрасли, ведь созданные ими роботы смогли двигаться в организме со скоростью 60 микрометров в секунду. Для того чтобы доставить лекарство до пункта назначения (а в этом эксперименте им нужно было добраться до оболочки желудка), пришлось затратить некоторое время, при этом роботы оставались в желудке примерно двенадцать часов, это позволило им точечно впрыснуть лекарство и добиться предельной эффективности его действия.

После того, как наниты побывали в теле мыши, было произведено вскрытие, которое показало, что роботы абсолютно безопасно прошли весь путь и не нанесли повреждения тканям. При этом уровень токсического заражения остался в пределах нормы. Это говорит о том, что ученые добились своей цели и получили роботов, которые будут использоваться в будущем для повышения эффективности от лечения.

Сейчас ученые думают над тем, как увеличить скорость передвижения, а также об альтернативном топливе, так как использование газа может негативно сказаться на состоянии человека.

робототехника

neuronus.com

Что такое нанороботы? Для чего они нужны?

Нанороботы — это научный прогресс, который относится к созданию новейших технологий. Эти микроскопические машины способны выполнять определённые действия, на которые они запрограммированы в процессе создания. Также, продумали создание нанороботов способных размножаться и назвали их репликаторами. Но существует и иная противоречивая точка зрения, которая значительно сужает круг работы нанороботов. То – есть каждый экземпляр выполняет определённую цель. В основном суть таких устройств заключается в воздействии на молекулярном уровне. Но это только планы, которые скоро претворятся в жизнь. А на данный момент неизвестно ни одного случая взаимодействия с нанороботами, так как точное время доработки проектов и создания наноробов удовлетворяющих требованиям пока не известно. Радует и то, что прототипы данного устройства заняли лидирующее место в определённой сфере науки. Речь идёт о специальных датчиках, которые ведут учёт молекул в образцах, но и они не нашли столь широкого применения в наше время.

DNA box, обеспечивающий работу наномашин

В недалёком 2008 году команда учёных создала робот, которым можно управлять с помощью дезоксирибонуклеиновой кислоты. Этот робот собирается самостоятельно. Используя его возможности можно создавать компьютеры для работы с генами и выполнения логических операций. После, в 2010 году были созданы первые наномашины, которые работают на основе ДНК. То — есть, если DNA box работают на фрагментах ДНК, то тут ДНК полностью обеспечивают работу наномашин.

Типы устройств нанороботов

По типу нанороботы различаются способностью и неспособностью репликации. Даже некоторые учёные бьют тревогу, рассматривая способность машин к саморазмножению. Они считают, что этот тип может представить серьёзную опасность всему человечеству. Но это скорее зависит от интенсивности размножения. Да и сторонники саморазмножающихся машин гарантируют, что определённый момент размножения будет запрограммирован согласно среде производства. Поэтому делать выводы пока рано, тем более можно нарваться на двоякое спорное мнение по этому поводу.

Нанороботы в медицине

Большие надежды возлагают на машины, учёные – медики. Но и они отрицают производство нанороботов способных к репликации, так как это может привести к возможным ошибкам и недостоверной информации о состоянии здоровья больных. Выход – создание отдельных фабрик для производства нанороботов используемых в медицинской сфере.

Производство и разработка конструкций

Вместе с задумками и детальной разработкой машин учёными, само собой появляется вопрос о реализации устройств. Это направление не оставили без внимания компании, которые создали «сотрудничество по разработке нанофабрик» где изучается возможность создание машин из различных материалов. И именно они нашли способ в использовании алмазов для создания конструкции нонороботов. На нанофабрики направлены основные усилия, ведь там разрабатывают не только основные компоненты машин, но и учитывается функциональное предназначение каждого вида и их количество. К созданию основных компонентов машин относится разработка молекулярных моторов, которые имеют способность перерабатывать в кинетическую энергию различные типы существующих энергий. За счёт этого, они смогут вращаться в одном направлении. Способов производства нанороботов два. К ним можно отнести: • 3D печать;

• двухфотонную литографию.

3D печать используется для создания физических предметов, используя чертежи, или лазерную гравировку. Выглядит 3D печать, созданная с помощью чертежей, как полноценная трёхмерная модель. Но производить наноустройства таким способом можно при условии высокой точности современных принтеров, дабы не упустить, ни одну деталь. Поэтому гравировка с использованием лазера позволяет добиться более высокоточных результатов. А принтер, использующий этот способ, может даже создавать составляющие части машин. Если говорить о двухфотонной литографии, то следует отметить, что тут не отвергается использование 3D принтеров. Просто печать производится путём лазерного луча, отправляющего на точку фотоны. Этот способ тоже хорош тем, что создаёт высокоточную конструкцию или часть конструкции. Какой использовать способ пока не определились, но все они изучаются очень тщательно.

Сферы применения наномашин

Если производители добьются своей цели и создадут нанороботы, то сфер применения их будет множество. Во-первых, как мы уже и говорили выше, медицина возлагает большие надежды на наномашины. Помимо контроля за состоянием здоровья больных, особенно в послеоперабельный период и страдающих сахарным диабетом, их планируют использовать для выявления и уничтожения раковых клеток, которые находятся в различных стадиях. В военной отрасли, нанороботы могут быть инструментом для разведывательных операций и даже для устранения противников.

Видео:

kiborg.pro

«Врачи-нанороботы» — миф или реальность?

Статья на конкурс «био/мол/текст»: В книге «Машины создания» американского ученого Эрика Дрекслера была рассмотрена идея создания наноробота как «машины по ремонту клеток», которая смогла бы ставить диагноз, передавать информацию и создавать программу для лечения человека. Конечно, это звучит очень фантастично, но ученые уверяют, что в будущем такие «машины-нанороботы» помогут людям жить вечно: они смогут предотвратить множество болезней, излечиться от уже имеющихся и таким образом приблизиться к бессмертию. То, что это вполне возможно, доказывают современные научные исследования, а вот будет ли это доступным всем — совсем другой вопрос.

Около 20 000 лет тому назад человекначал одомашнивать растения и животных.

Сейчас наступило время одомашнивать молекулы.

Сьюзан Линдквист.

Представьте, что вы заболели обычной простудой и направляетесь к врачу за лечением, но вместо того, чтобы выписать вам таблетки или укол, он направляет вас в медицинский центр, который «запустит» в вашу кровь крошечных роботов. Они обнаружат причину заболевания, отправятся в нужную систему органов и доставят необходимую дозу лекарственного препарата непосредственно в «зону поражения». Вы удивитесь, но современная медицина не так уж и далека от таких устройств, которые уже отчасти используются. Эти специфические устройства названы нанороботами, которые создаются на основе наноэлектронных структур и биотехнологий и приобретают новые физико-химические свойства, отличающиеся от составляющих их молекул и атомов [1]. Такие нанороботы будут способны функционировать в организме человека и выполнять разнообразные функции: от контроля молекулярных и клеточных процессов до диагностики и «ремонта» организма изнутри.

Наномедицина — что это?

Окружающий нас мир меняется все быстрее и быстрее, и реальным становится то, что раньше было лишь вымыслом футурологов. Наномедицина и нанотехнологии коренным образом меняют взгляд человека на окружающий мир. О наномедицине, способной показывать человеку «чудеса» регенерации, решать проблемы биологического старения и многое другое, можно говорить, как о новой вехе в развитии современной науки.

По определению Роберта Фрейтаса: «Наномедицина — это слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием разработанных наночастиц и наноустройств» [2]. Возникновение наномедицины связывают с 1957 годом, когда будущий лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман прочитал лекцию в калифорнийском технологическом институте и произнес свою знаменитую фразу: «Внизу полным полно места» [3]. Он указал мировому сообществу, что, несмотря на фундаментальные знания о микромире, человечество не умеет использовать все свои возможности для продуктивной работы в данной отрасли. В то время его слова казались фантастикой, и мало кто мог предположить, что уже через несколько десятилетий появятся технологии, способные работать на молекулярном и атомном уровнях.

«Молекулярные машины»

Один из основоположников нанотехнологических разработок американский ученый Эрик Дрекслер в своих фундаментальных работах описал новую медицинскую технологию — использование «молекулярных машин». Начало развития этого направления можно связать с 1986 годом, когда Эрик Дрекслер опубликовал книгу «Машины создания. Грядущая эра нанотехнологии». Несколько позже, в 1991 году, он защитил докторскую диссертацию, а в 1992 году выпустил монографию «Наносистемы», где были изложены научные основания построения нанороботов — наномашин для ремонта клеток. По его мнению, медицинские нанороботы должны уметь диагностировать заболевания, доставлять лекарственные препараты, циркулировать в лимфатических и кровеносных сосудах человека и даже делать хирургические операции. Дрекслер предположил, что медицинские нанороботы предоставят возможность оживления людей, замороженных методами крионики [4].

Как же создать «конструктор» из атомов и молекул?

До сих пор не существует ни одной методики инженерного проектирования молекулярных структур в виде работоспособных крошечных роботов. Их еще предстоит разработать, но современные достижения науки настраивают на оптимизм: уже созданы моторчики диаметром 500 нм, которые могут использоваться в качестве двигателей для нанороботов , наножидкостные и наноэлектронные системы типа «лаборатории-на-чипе», разработано программное обеспечение для моделирования поведения нанороботов в организме человека. Существует практическая программа исследований, основанная Робертом Фрейтасом и Ральфом Мерклом в 2000 году и направленная на создание алмазной механосинтетической фабрики, которая будет создавать нанороботов на основе алмазных соединений [5].

Наряду с нанороботами из алмазоидов, биоинженеры планируют активно создавать нанороботов из клеточных органелл и других биологических объектов: с митохондриями вместо аккумуляторов, миозиновыми волокнами для движения белковых жгутиков, рибосомами для синтеза необходимого белка, антителами для распознавания молекул, молекулами ферментов, вакуолями с самостоятельно синтезированным лекарственным веществом. Фактически это будет искусственно сконструированная живая клетка с заданными функциями [7], [8]. Геномика и протеомика развиваются такими темпами, что получение биологических нанороботов будет эффективным добавлением к механическим нанороботам.

Несмотря на все достижения науки, действующие и эффективные конструкции нанороботов пока не разработаны и находятся на стадии задумок и проектирования. Есть три основных момента, на которых должны сосредоточиться ученые: навигация, питание и передвижение нанитов по кровеносным сосудам. Нанотехнологи рассматривают различные варианты для каждого из этих аспектов.

Внешние навигационные системы могут использовать множество различных методов, чтобы доставить наноробота в нужное место. Один из таких методов — применение ультразвуковых сигналов для обнаружения местоположения наноробота и направления его в место назначения. Врачам отправляли бы ультразвуковые сигналы в тело пациента и регистрировали их, работая на специальном оборудовании с ультразвуковыми датчиками.

Используя магнитно-резонансную томографию (МРТ), врачи могли бы определять местонахождение наноробота и отслеживать его по магнитному полю.

2. Питание нанороботов

В качестве основных источников энергии предполагается использование собственных запасов непосредственно из кровотока человека. Наноробот с установленными электродами может сформировать «батарею» на основе электролитов, найденных в крови. Другой вариант заключается в создании химических реакций с кровью для превращения ее в энергию.

Также существует предположение по дополнению функции митохондрий глюкозным механохимическим реактором.

3. Передвижение нанороботов

В настоящее время уже разработано несколько нанодвигателей различных типов, которые в будущем смогут обеспечить нанороботам перемещение в пространстве. Одним из таких двигателей является диэлектрофорезный наномотор [9]. Работа двигателя построена на процессе притягивания и отталкивания частиц в сильном неоднородном электростатическом поле.

Другой вариант нашли израильские и немецкие ученые из Технологического института Технион (Израиль), Института интеллектуальных систем Макса Планка (Германия) и Института физической химии университета Штутгарта (Германия). В статье, опубликованной в сентябрьском выпуске ACS Nano 2014 года, израильская и немецкая команда объявила, что им удалось создать крошечный винтообразный придаток, который может двигаться в гелеобразной жидкости, имитирующий окружающую среду внутри живого организма [10]. Форма нанопропеллера далека от форм пропеллеров, которые мы привыкли видеть. Исследователи придали своему нанодвигателю форму спирали, которая представляет собой закрученную нить из кварца и никеля. Ширина спирали составляет 70 нанометров, а длина — 400 нанометров. Такие размеры делают спираль нанодвигателя в 100 раз меньше диаметра клетки крови человека. При этом управление происходит за счет переменного магнитного поля, полностью исключающего какие-либо виды облучения человеческого организма. Меняя параметры данного поля, ученые регулируют направление и скорость движения механизма, доставляя его точно в заданную точку тела.

Прототипы нанороботов

С каждым годом микроробототехника существенно продвигается вперед. Только за последнее десятилетие в этой сфере появилось сразу несколько прорывных технологий.

1. ДНК-нанороботы

В 2014 году команда исследователей из Университета Бар-Илан в Израиле опубликовала статью в журнале Nature Nanotechnology, в которой продемонстрировала возможность создания нескольких нанороботов на основе нитей ДНК, которые затем были введены в организм лабораторных тараканов [11]. Эти ДНК-наноботы представляли собой свернутые особым образом и имеющие заданную последовательность молекулы ДНК, которые, попав в среду живого организма, начинали разворачиваться и взаимодействовать друг с другом и с клетками этого организма. Исследователи «размотали» нити ДНК, а затем «связали» их в новую структуру, похожую на «коробку-оригами» . В нее затем поместили по одной химической молекуле (рис. 1). При столкновении с определенными белками «ДНК-коробка» открывалась и высвобождала заключенные в изгибах ДНК химические частички, которые могли действовать согласно заложенной в них программе на процессы жизнедеятельности клеток организма или выступать в качестве лекарственных препаратов. Нанороботы были снабжены метками светящегося материала, благодаря которому было возможно определять их положение в пространстве и следить за перемещением. Во время эксперимента ДНК-нанороботы показали высокую точность функционирования и взаимодействия между собой, граничащую с точностью работы компьютерной программы.

Рисунок 1. Робот представляет собой шестигранную призму, внутри которой спрятан «важный груз» — в данном случае, антитело, способное связываться с клетками крови тараканов. На рисунке — скриншот программы caDNAno, позволяющей моделировать структуру ДНК-оригами и подбирать необходимые для конструкции нуклеотидные последовательности.

2. Наноробот — морской гребешок

Ученые из Института интеллектуальных систем Макса Планка в 2014 году сконструировали необычного микроскопического робота для передвижения по жидкостям человеческого тела. Отличает его от всех прежних прототипов сходство с морским гребешком (рис. 2). Подобно этому моллюску наноробот способен передвигаться за счет движений створок «раковины» с помощью реактивной тяги. При этом роботу достаточно энергии внешнего электромагнитного поля, что позволило обойтись без источника питания и уменьшить размеры раковины [15].

Рисунок 2. «Целебные гребешки». Такой механизм плавания нанороботов из полидиметилсилоксана открывает новые возможности в проектировании биомедицинских микроприборов.

3. «Цинковые наноракеты»

Исследователи из Калифорнийского университета Сан-Диего в 2015 г. создали нанороботов, способных перемещаться внутри живого организма и доставлять груз лекарственных препаратов в необходимое место, не влияя на организм [16]. Микродвигатель этих «молекулярных машин» имеет химическую природу и продвигает наноботов за счет пузырьков газа, выделяющихся в ходе реакции между жидкостью внутри организма и материалом, находящемся в двигателе (рис. 3). Подопытными живыми организмами были грызуны. Наниты, изготовленные из специального полимера, имели форму трубки длиной около 20 микрометров и диаметром 5 микрометров и были покрыты толстым слоем цинка. Нанороботы вводились в пищеварительный тракт животного и достигали его желудка, где цинк начинал реагировать с соляной кислотой, входящей в состав пищеварительных соков. Выделяющийся при этом водород вырывался из внутренней полости трубок-наноботов, превращая их в подобие миниатюрных ракет (видео 1).

Рисунок 3. Устройство цинковых наномоторов. а — Механизм работы «цинкового мотора». б — Построение микродвигателей с помощью поликарбоната. в — Цинковые «наноракеты» под микроскопом. г — Фазы движения нанороботов.

Видео 1. Движение созданного калифорнийскими учеными прототипа наноробота.

Они развивали скорость около 60 микрометров в секунду, были способны покидать пределы желудка и закрепляться на стенках кишечника, где высвобождали наночастицы из лекарственных препаратов. Согласно данным, полученным в ходе эксперимента, наноботы оставались прикрепленными к стенкам кишечника в течение 12 часов, даже несмотря на прием пищи подопытным животным, что является доказательством их эффективности.

4. «Шустрые» наниты

Одним из последних достижений в области наноробототехники является создание исследователями из Университета Дрекселя крошечных роботов, способных развивать большую скорость в жидкой среде [17]. Нанороботы представляют собой цепочки из крошечных круглых частиц. Магнитное поле вращает частицы, подобно винту. При этом, чем длиннее цепочка, тем бóльшую скорость она может развить (рис. 4). Ученые создавали различных роботов: начиная с цепочки из трех «бусин» до цепочки из 13 частиц, которая достигала скорости 17,85 микрометра в секунду (видео 2). Движение наноботов было возможно благодаря применению внешнего магнитного поля. Чем быстрее была скорость вращения поля, тем быстрее перемещались цепочки. При этом высокая частота приводила к деформации цепочек и способствовала их разделению на более мелкие цепочки: из трех или четырех частиц. Ученые планируют использовать эти устройства в будущем для доставки лекарственных веществ по кровеносным сосудам.

Рисунок 4. Скорость магнитных пловцов с различным количеством бусин.

Видео 2. Нанороботы-трансформеры, созданные в Университете Дрекселя, США.

По образу и подобию

Какой станет медицина будущего? Как она изменит нас и наше отношение к жизни? Смогут ли «нанороботы-врачи» заменить человека? Эти вопросы звучат, как нечто фантастическое. Несмотря на то, что конструкция медицинских нанороботов существует пока в головах ученых, уже сейчас можно с гордостью говорить о достижениях нанотехологии в медицине: это и адресная доставка лекарств, и контроль биохимии процесса лечения, и диагностика заболеваний с помощью квантов, и лаборатория на чипе [18].

Ожидается, что достижения в наноробототехнике станут доступными не ранее, через полвека, однако последние разработки в этой отрасли вселяют уверенность в то, что это произойдет намного раньше. Будем надеяться, что через пару веков гений человека сможет на практике использовать нанороботов в хирургических операциях, в лечении разнообразных заболеваний и, в конце концов, для оживления и «ремонта» человека [3].

  1. Yamamoto Y., Miura T., Suzuki M., Kawamura N., Miyagawa H., Nakamura T. et al. (2004). Direct observation of ferromagnetic spin polarization in gold nanoparticles. Phys. Rev. Lett. 93, 116801;
  2. Freitas R.A. Jr. (2005). What is nanomedicine? Nanomedicine. 1, 2–9;
  3. Feynman R.P. (1960). There’s plenty of room at the bottom. Caltech Engineering and Science. 23, 22-36;
  4. Дрекслер Э. Машины создания. Грядущая эра нанотехнологии. М.: Издательство «Энкор Букс», 2009;
  5. Merkle R.C. and Freitas R.A. Jr. (2003). Theoretical analysis of a carbon-carbon dimer placement tool for diamond mechanosynthesis. J. Nanosci. Nanotechnol. 3, 319–324;
  6. Наноавтомобиль, молекулярный лифт и искусственные мышцы — названы лауреаты Нобелевской премии по химии 2016;
  7. Борисенко В.Е. (1997). Наноэлектроника — основа информационных систем XXI века. Соросовский oбразовательный журнал. 5, 100–104;
  8. Синтетическая жизнь;
  9. Soong R.K., Bachand G.D., Neves H.P., Olkhovets A.G., Craighead H.G., Montemagno C.D. (2000). Powering an inorganic nanodevice with a biomolecular motor. Science. 290, 1555–1558;
  10. Schamel D., Mark A.G., Gibbs J.G., Miksch C., Morozov K.I., Leshansky A.M., Fischer P. (2014). Nanopropellers and their actuation in complex viscoelastic media. ACS Nano. 8, 8794–8801;
  11. Amir Y., Ben-Ishay E., Levner D., Ittah S., Abu-Horowitz A., Bachelet I. (2014). Universal computing by DNA origami robots in a living animal. Nat. Nanotechnol. 9, 353–357;
  12. ДНК-оригами: путь от гравюры до нанороботов длиной в 30 лет;
  13. Голактеко опасносте: ДНК-роботы в живом организме;
  14. Биоинженеры научились получать ДНК-структуры, сборкой и разборкой которых можно управлять;
  15. Qiu T., Lee T.C., Mark A.G., Morozov K.I., Münster R., Mierka O. et al. (2014). Swimming by reciprocal motion at low Reynolds number. Nat. Commun. 5, 5119;
  16. Wang J. and Zhang L. (2015). Artificial micromotors in the mouse’s stomach: a step toward in vivo use of synthetic motors. ACS Nano. 8, 117–123;
  17. Cheang U.K., Meshkati F., Kim H., Lee K., Fu H.C., Kim M.J. (2016). Versatile microrobotics using simple modular subunits. Sci. Rep. 6, 30472;
  18. Человек на чипе.

biomolecula.ru

Нанороботы внутри нас: как работают клетки

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».

Александр Марков, биолог, популяризатор науки, профессор МГУ: «В ходе эволюции очень легко возникают системы, выглядящие на первый взгляд «несократимо сложными». Они состоят из многих частей, которые приносят пользу только все вместе, убери одну — и вся система перестает работать, а каждая отдельная часть сама по себе вроде бы бесполезна. Это заставляет некоторых ученых поставить под сомнение теорию эволюции в целом. Но стоит начать разбираться, и выясняется, что эти системы на самом деле не являются «несократимо сложными». Удаление некоторых деталей не уничтожает молекулярную машину, а лишь снижает ее эффективность. Значит, в прошлом могла существовать машина без этой детали, а деталь присоединилась позже, что повысило эффективность работы. Но даже если удаление детали делает молекулярную машину нефункциональной, это может быть результатом долгой взаимной «притирки» деталей. Необходимо также помнить, что организму, не имеющему какой-то молекулярной машины, будет полезен даже очень простой, малоэффективный, едва работающий ее вариант».

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.

Схема «электродвигателя» бактерии гораздо больше напоминает инженерный чертеж, чем изображение живого организма. Главная деталь «мотора» — белок Mot A с ионными каналами, благодаря которым поток протонов заставляет ротор вращаться, как турбина.

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.

Как и в случае со жгутиками бактерий, движение ротора АТФ-синтазы было подтверждено экспериментально: прикрепив к вращающемуся участку помеченный флуоресцирующим красителем белок актин, похожий на длинную нить, ученые своими глазами увидели, что он вращается. И это несмотря на то, что соотношение размеров у них такое, как если бы человек размахивал двухкилометровой плетью.

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 х 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!

Кинезин, шагая по «тропинкам» из микротрубок, переносит различные грузы в клетке.

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 — кoлесо и axis — ось. Ось в ротаксане имеет форму гантели, чтобы с помощью объемных групп на концах не позволять кольцу соскальзывать со стержня.

«Наномашина», «четырехколесная» молекула, созданная в 2005 году группой под руководством профессора Джеймса Тура (Университет Райса). Собственного мотора у нее нет, однако при нагревании поверхности до порядка 200 °C фуллереновые колеса начинают вращаться и машинка катится.

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.

Инженерные сооружения наномасштабов подчиняются химическим реакциям в большей степени, нежели законам ньютоновской механики. Многообразие их применений простирается от медицинских роботов до компьютерной памяти.

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.

Статья «Нанороботы внутри нас» опубликована в журнале «Популярная механика» (№1, Январь 2016).
Page 2
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».

Александр Марков, биолог, популяризатор науки, профессор МГУ: «В ходе эволюции очень легко возникают системы, выглядящие на первый взгляд «несократимо сложными». Они состоят из многих частей, которые приносят пользу только все вместе, убери одну — и вся система перестает работать, а каждая отдельная часть сама по себе вроде бы бесполезна. Это заставляет некоторых ученых поставить под сомнение теорию эволюции в целом. Но стоит начать разбираться, и выясняется, что эти системы на самом деле не являются «несократимо сложными». Удаление некоторых деталей не уничтожает молекулярную машину, а лишь снижает ее эффективность. Значит, в прошлом могла существовать машина без этой детали, а деталь присоединилась позже, что повысило эффективность работы. Но даже если удаление детали делает молекулярную машину нефункциональной, это может быть результатом долгой взаимной «притирки» деталей. Необходимо также помнить, что организму, не имеющему какой-то молекулярной машины, будет полезен даже очень простой, малоэффективный, едва работающий ее вариант».

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.

Схема «электродвигателя» бактерии гораздо больше напоминает инженерный чертеж, чем изображение живого организма. Главная деталь «мотора» — белок Mot A с ионными каналами, благодаря которым поток протонов заставляет ротор вращаться, как турбина.

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.

Как и в случае со жгутиками бактерий, движение ротора АТФ-синтазы было подтверждено экспериментально: прикрепив к вращающемуся участку помеченный флуоресцирующим красителем белок актин, похожий на длинную нить, ученые своими глазами увидели, что он вращается. И это несмотря на то, что соотношение размеров у них такое, как если бы человек размахивал двухкилометровой плетью.

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 х 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!

Кинезин, шагая по «тропинкам» из микротрубок, переносит различные грузы в клетке.

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 — кoлесо и axis — ось. Ось в ротаксане имеет форму гантели, чтобы с помощью объемных групп на концах не позволять кольцу соскальзывать со стержня.

«Наномашина», «четырехколесная» молекула, созданная в 2005 году группой под руководством профессора Джеймса Тура (Университет Райса). Собственного мотора у нее нет, однако при нагревании поверхности до порядка 200 °C фуллереновые колеса начинают вращаться и машинка катится.

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.

Инженерные сооружения наномасштабов подчиняются химическим реакциям в большей степени, нежели законам ньютоновской механики. Многообразие их применений простирается от медицинских роботов до компьютерной памяти.

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.

Статья «Нанороботы внутри нас» опубликована в журнале «Популярная механика» (№1, Январь 2016).

www.popmech.ru

nanites - это... Что такое nanites?

  • Nanites — Les nanites (nom féminin) ou nanorobots sont des robots minuscules présentés dans certaines œuvres de science fiction. Ce sont des machines d une taille de l ordre du nanomètre (10 9 m), capables de performances extraordinaires. La robotique… …   Wikipédia en Français

  • наниты —  Nanites  Наниты   Неустоявшийся термин. Используется в различных значениях.  1. Магнитные микросхемы, которые в будущем могут вытеснить традиционные электронные чипы. Для их изготовления не нужен будет кремний, а также они будут менее… …   Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.

  • Singularity 7 — Infobox comic book title title= Singularity 7 imagesize= caption=A variant cover for Issue 1 schedule= format=Mini series limited =Y publisher=IDW Publishing date= July 2004 January 2005 issues=4 main char team= writers=Ben Templesmith… …   Wikipedia

  • Asuran — The Asuran High Council, from Progeny The Asurans are a fictional race in the science fiction series Stargate Atlantis that bear many similarities to the human form Replicators of Stargate SG 1. These similarities have led the Asurans to simply… …   Wikipedia

  • Generator Rex — est une série d animation télévisée américaine, créée par l équipe de scénaristes Man of Action, et diffusée sur Cartoon Network. La série est inspirée de M. Rex, un comic publié par Image Comics en 1999. Sommaire 1 Synopsis 2 Personnages 2.1… …   Wikipédia en Français

  • Bunnie Rabbot — Superherobox| caption=The current design of Bunnie Rabbot as seen in StH #177. comic color=background:#8080ff character name=Bunnie Rabbot real name= publisher=Archie Comics debut= Sonic the Hedgehog , Sonic the Hedgehog # 3 creators=DiC… …   Wikipedia

  • Gravity Dreams — is a 2000 science fiction novel by L. E. Modesitt, Jr.ynopsisSet in the distant future of the year 4512, wherein humans have achieved spaceflight faster than the speed of light, along with nanotechnology, Gravity Dreams centers itself around its… …   Wikipedia

  • Dernier Recours (Stargate) — Dernier recours Épisode de Stargate Atlantis Titre original Lifeline Numéro d’épisode Saison 4 Épisode 2 Réalisation Martin Wood Scénario Carl Binder Diffusion …   Wikipédia en Français

  • Dernier Recours (Stargate Atlantis) — Dernier Recours (Stargate) Dernier recours Épisode de Stargate Atlantis Titre original Lifeline Numéro d épisode Saison 4 Épisode 2 Planète visitée M7R 227 (Asuras) M2 578 Réalisation Martin Wood Scénario Carl Binder Dif …   Wikipédia en Français

  • Dernier recours (Stargate) — Dernier recours Épisode de Stargate Atlantis Titre original Lifeline Numéro d épisode Saison 4 Épisode 2 Planète visitée M7R 227 (Asuras) M2 578 Réalisation Martin Wood Scénario Carl Binder Dif …   Wikipédia en Français

nanotech.academic.ru

Джон Роберт Марлоу: война с репликаторами

«Потому что во многой мудрости много печали; и кто умножает познания, умножает скорбь»

Экклезиаст 1:18

Джон Роберт Марлоу недавно написал книгу об опасности неконтролируемой репликации – «Нано». В ней он также рассмотрел решение этой проблемы с помощью сложного наноустройства, названного «суперчервем». Для лучшего освещения проблемы и книги Джон дал интервью сайту Nanotechnology news Network.

Джон Роберт Марлоу

Проблема: Неконтролируемая репликация нанороботов, которые могут уничтожить биосферу Земли, использовав ее как строительный материал для своих копий (далее таких нанороботов будем называть «нанитами»).

Предложенное решение: Создать «суперчервя», который будет охватывать весь земной шар и мгновенно реагировать на неконтролируемую репликацию, «разбирая» на атомы размножающихся нанитов. «Суперчервь» должен реагировать мгновенно и иметь доступ в любую точку земного шара.

Может, можно обойтись традиционным оружием?

Необходимо помнить, что время репликации нанитов очень мало, что предполагает наличие систем контратаки с быстродействием, в несколько раз превышающим реакции человека. Первыми возможными решениями проблемы могут быть: применение ядерного или плазменного оружия в точке репликации нанитов, а также специально разработанных анти-нанитов (далее будем называть их «червями»), которые уничтожают нанитов в индивидуальном порядке, т.е. один червь разбирает одного нанита на атомы (или просто повреждает его таким образом, что нанит не способен к последующей репликации). Каждый из этих методов будет успешен только в том случае, когда ВСЕ наниты утратят репродуктивные способности. Если хотя бы один нанит уцелеет, например, отброшенный в сторону ударной волной, то он обязательно повлечет новый очаг неконтролируемой репликации. Если же взрывной волной будет разбросано несколько нанитов в разных направлениях, очагов репликации будет тоже несколько. Таким образом, целей для поражения традиционными методами (ядерным или плазменным оружием) будет тоже несколько. После неудачи их поражения, количество целей будет еще больше, и так далее ad infinitum.

Плазменный щит

Создать быстродействующее, мобильное и компактное плазменное оружие практически невозможно. Создание орбитальных установок для уничтожения очагов репликации в мировом масштабе представляет собой невозможную задачу.

Ядерный щит

Ядерное оружие мобильно и быстродействующе. Но, несмотря на это, его использование при поражении очагов репликации также невыгодно. При неправильном выборе цели могут пострадать целые города, что может привести к конфликту. Также не все мировые державы обладают ядерным потенциалом для устранения возможной катастрофы.

Поскольку человеку будет трудно быстро среагировать на атаку нанитов, то, скорее всего, управление ядерным щитом передадут системам искусственного интеллекта. Не нужно говорить о том, что и эти системы ненадежны и могут в любой момент отказать.

Наноинтервенция

Для доставки «червей»-антинанитов к очагу репликации тоже потребуется время. Таким образом, можно просто не успеть доставить необходимое количество червей к месту катастрофы.

Что это вообще такое – суперчервь?

Предлагаемый «суперчервь» будет состоять из антинанитов – наноассемблеров/дизассемблеров, которые будут специально запрограммированы на уничтожение нанитов (но не друг друга). Использование такого рода защиты будет выгодно, во-первых, своим быстродействием, во-вторых – избирательностью, в-третьих – будет безопасным для окружающих.

Для того, чтобы быстродействие суперчервя было максимальным, он не должен иметь центральной командной системы (мозга). Это необходимо также для того, чтобы не произошло никаких сбоев в его работе и чтобы никто не мог перехватить управление над ним. Также наниты могут атаковать командный центр суперчервя, если бы он был.

Для эффективной работы суперчервя необходимо, чтобы он был размещен по всей поверхности земли, в глубине океанов и под землей. Короче говоря – везде, где возможо появление нанитов. Для эффективной борьбы с нанитами суперчервь должен также «увеличиваться в размерах» при обнаружении превосходящего числа противника. Тогда возможно эффективное уничтожение очагов репликации.

Как он будет устроен?

Для успешной деятельности супечервя необходима надежная связь между его частями – отдельными антинанитами. Если же вражеские наниты уничтожат часть суперчервя, то его части должны передать сигналы тревоги остальным для формирования «иммунного ответа» системы.

Такая связь может быть достигнута только тогда, когда каждый антинанит снабжен датчиком состояния, и все сигналы ото всех частей отображаются всеми частями-роботами суперчервя. Если же один или несколько из сигналов вдруг пропадают – суперчервь расценивает это как нападение и формирует контратаку. Распространение сигналов подразумевает их шифрование, снабжение отдельных антинанитов своими позывными и другие методы по безопасности связи.

Также необходимо предусмотреть иерархию приоритетных сигналов для построения контратак различного быстродействия – от локального до глобального.

Как будет выглядеть противостояние: суперчервь и наниты?

Вражеский червь при правильном восприятии его суперчервем будет быстро разобран последним. Суперчервь окружает очаг репликации большим количеством нанороботов-антинанитов, и это предотвращает дальнейшее распространение репликации. Таким образом, при соответствующей быстрой реакции супречервя на очаг репликации, он будет вскоре погашен. Если предположить, что супечервь будет распознавать наномимикрию (т.е. маскировку нанитов под стандартные части сверхчервя), то шансы на то, что останется хотя бы одна вражеская единица, очень малы.

Будет ли суперчервь безопасным?

Некоторые методы безопасности уже были описаны выше, однако стоит напомнить, что супечервь будет представлять собой угрозу гораздо большую, чем просто вышедшие из-под контроля репликаторы. Децентрализация командного центра позволит предотвратить сбои в нем и попытки перехвата управления.

Еще один метод, обеспечивающий безопасность суперчервя: его члены должны различать друзей и врагов. Далее, они также должны отличать неконтролируемую репликацию нанитов от репликации суперчервя (с целью превышения количества антинанитов над нанитами).

Также, антинаниты должны различать материалы, из которых будут построены новые единицы суперчервя. В идеальном случае это должны быть вражеские единицы. Необходимо также иметь встроенный механизм, чтобы суперчервь не заразился от разобранных нанитов «репликативной чумой». Это возможно в том случае, если нанитов разбирают до отдельных атомов.

Необходимо предусмотреть методы защиты окружающей среды от деятельности суперчервя. Если суперчервь не будет различать материал, из которого он строит свои новые части, то в дело могут пойти и животные, и строения, и люди.

Какие могут быть преимущества и недостатки суперчервя?

Исходя из вышесказанного, можно сформулировать основные достоинства и недостатки суперчервя.

Суперчервь не будет нуждаться в искусственном интеллекте. Также он будет действовать с максимальным быстродействием, будет самодостаточен и избирателен при погашении очага репликации.

Однако есть и некоторые недостатки. Так, суперчервя нельзя построить без развитой нанотехнологии. Возникновение же очагов репликации может произойти и до того, как суперчервь будет сконструирован. Развитие нанотехнологий, даже для построения суперчервя, уже опасно. В таком случае лаборатории, работающие в наноотраслях, желательно располагать в труднодоступных местах (орбитальных комплексах) и снабжать их мощными системами самоуничтожения на случай, если произойдет вспышка неконтролируемой репликации.

Несколько слов в заключение.

Сложные проблемы нуждаются в поиске сложных решений. Человечество, конечно же, не будет разрабатывать нанооружие в виде репликаторов. Для того, чтобы избежать этого и написана моя книга «Нано». Мы уже нуждаемся в суперчерве, и дальше будем нуждаться еще больше.

Джон Роберт Марлоу, специально для сайта Nanotechnology News Network

Перевод, интервью и комментарии: Свидиненко Юрий

Пожалуйста, оцените статью:

www.nanonewsnet.ru


Смотрите также

Календарь

ПНВТСРЧТПТСБВС
     12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31      

Мы в Соцсетях

 

vklog square facebook 512 twitter icon Livejournal icon
square linkedin 512 20150213095025Одноклассники Blogger.svg rfgoogle