Creazione di nanorobot. I primi nanorobot intelligenti al mondo creati in Russia

Robot nanotecnologico nanomacchina (nanite), le cui dimensioni sono misurate in nanometri Argomenti biotecnologici EN nanobot … Manuale tecnico del traduttore

nanobot

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Libri

• Nanoskazochka, Sergey Lukyanenko, “In un certo spazio e tempo, in una realtà molto divertente, viveva ed era una volta un piccolo Nanobot. Veniva dalla tribù laboriosa di Escherichia Koli, alla quale si mescolarono un po'... Categoria:

Articolo per il concorso "bio/mol/text": L'articolo descrive gli approcci alla comprensione della struttura della cellula - dalle idee della biologia teorica e dai concetti di "macchina proteica" agli approcci e alle scoperte moderne: nanorobot, microtubuli e sequenziamento del genoma. Il lavoro congiunto e coordinato con precisione di milioni di nanorobot crea quel fenomeno unico che chiamiamo vita.

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Citologia: la scienza della cellula

Figura 4. Copertina del libro di Erwin Bauer

Certo, in un certo senso, una stella è anche un “processo”, come una cellula: una stella converte l'idrogeno in elio e, alla fine, quando tutto il carburante in essa si esaurisce, “muore”. E anche lo sgabello più ordinario, se lo guardi da vicino, non rimane per sempre com'è stato realizzato: la vernice si stacca, il legno gradualmente si asciuga o marcisce, gli elementi di fissaggio si allentano ... Ma una cellula vivente ( e un organismo vivente nel suo insieme) è fondamentalmente diverso da queste cose morte.

Hai pensato perché una pietra si sottomette indifferentemente all'azione di una forza esterna, mentre un essere vivente resiste? Perché il bastone segue il flusso e il pesce che depone le uova va contro di esso per decine di chilometri? Perché, finalmente, tu ed io possiamo determinare il nostro comportamento, superando gli ostacoli che il mondo esterno ci pone?

Il primo serio passo verso la comprensione di queste cose fu fatto dal biofisico sovietico Erwin Bauer, che avanzò il principio del non equilibrio stabile:

“... i sistemi viventi non sono mai in equilibrio e, a causa della loro energia libera, svolgono costantemente un lavoro contro l'equilibrio richiesto dalle leggi della fisica e della chimica nelle condizioni esterne esistenti» (fig. 4).

In altre parole, il "sistema vivente" in un certo senso viola le leggi della fisica e della chimica! Ma lei li viola solo con il loro stesso aiuto. Un oggetto vivente, utilizzando sostanze chimiche e interazioni fisiche, è in grado di vincere la gravità, contrastare il flusso di acqua e aria, rendere utili sostanze nocive (ad esempio il terribile ossidante ossigeno, che dal punto di vista della chimica non è migliore di cloro, ci dà la possibilità di respirare e grazie ad acquisire energia; in generale, la storia della lotta ai radicali ossidanti è presentata nell'articolo “ Fumetto da favola sulla grande battaglia tra radicali e antiossidanti» ).

Ma "equilibrio" non è solo uno stato in cui, ad esempio, la bilancia è bilanciata e smette di oscillare. Il gas è in equilibrio quando fluisce dalla bombola nell'aria della stanza e si mescola con l'atmosfera. La stufa è in equilibrio con l'aria circostante quando cede completamente il suo calore. La branca della fisica - la scienza della termodinamica - afferma che quando un sistema costituito da molte molecole tende all'equilibrio, in questo sistema aumenta il disordine (caos). La misura del caos si chiama " entropia". Nei sistemi chiusi, l'entropia può solo aumentare. Ma le cellule viventi sono sistemi aperti, non chiusi. Pertanto, possono resistere alla crescita dell'entropia. Lavorando contro l'equilibrio, gli esseri viventi portano ordine nel mondo e ogni secondo combattono contro il caos che li travolge da tutte le parti. Le volpi scavano un visone e sfuggono al freddo invernale, i castori costruiscono dighe e alzano il livello dell'acqua, che a sua volta si sforza di rovesciare l'aereo il più sottilmente possibile.

Ogni organismo vivente crea un tale miracolo ogni secondo. Ma ogni cellula vivente si comporta esattamente allo stesso modo. Utilizzando l'esempio del suo comportamento, che è più semplice del comportamento dei grandi organismi (sebbene il comportamento cellulare non sia così semplice come sembra), si può cercare di capire cos'è la vita e come esattamente lotta con l'“equilibrio”.

La citologia fa progressi

Nanorobot: fantasia e realtà

Alla fine dello scorso millennio, lo scienziato americano Eric Drexler, ispirato dalle scoperte nel campo delle nanotecnologie, divenne famoso per i suoi libri essenzialmente di fantascienza, in cui sognava che presto sarebbero stati costruiti dei "nanoassemblatori", capaci di assemblare qualsiasi cosa direttamente dagli atomi. . In particolare, ha scritto di "nanorobot" che possono svolgere un lavoro utile per la salute umana: pulire i vasi sanguigni, distruggere le cellule tumorali e combattere i batteri.

Qualcosa di simile fu previsto nel 1931 dallo scrittore per bambini Boris Zhitkov nel suo racconto di fantascienza Microhands. L'eroe della storia ha realizzato un dispositivo che consente operazioni con le singole celle. Dalle mani di una persona, gli sforzi sono stati trasferiti a micro-mani, che potevano eseguire operazioni che nemmeno il Levsha di Lesk poteva sognare! Ecco cosa ha scritto Zhitkov: Fui invitato ad eseguire le operazioni più delicate, dove nessun chirurgo saprebbe come girarsi. Con le mie micro-mani, ho potuto lavorare rapidamente e senza fallo sotto il microscopio più potente. Ho rimosso i più piccoli germogli di un tumore maligno da un organismo vivente, ho frugato in un occhio dolorante, come in una grande fabbrica, e non ho avuto fine di lavorare. Ma non mi ha fermato sulla mia strada. Volevo creare delle vere micro-mani, tali da poter afferrare le particelle di materia da cui è composta la materia, quelle particelle inimmaginabilmente piccole che sono visibili solo in un ultramicroscopio. Volevo entrare in quell'area in cui la mente umana perde ogni idea di dimensione - sembra che non ci siano più dimensioni, tutto è così inimmaginabilmente piccolo».

Ma il fallimento attendeva l'eroe della storia: durante la caccia alle singole cellule, una delle creature - la "infusoria del serpente" - ha rotto il suo dispositivo! Sì, e gli ho quasi rotto il braccio - perché i suoi sforzi, come per la leva di Archimede, sono stati trasferiti nel microcosmo, diminuendo milioni di volte, e anche le forze del microcosmo sono aumentate e hanno messo pressione sulle sue mani ...

È noto che la parola "tecnologia" deriva dal greco " tecnico” significa “arte”, e le nanotecnologie lo confermano: si fondono con l'art. Ora gli specialisti hanno l'opportunità di scolpire la struttura molecolare atomo per atomo, come una scultura. Si aprono fantastiche opportunità di libera creatività. I designer diventano artisti-demiurghi, creando cose da zero! Ma cosa succede se queste cose vanno fuori controllo e iniziano a moltiplicarsi come virus dannosi? Eric Drexler nel suo libro "Machines of Creation" ha praticamente spaventato il lettore con storie sull'imminente vittoria di " gray goo". Ha scritto che i pericoli della nanotecnologia non devono essere sottovalutati. Ora siamo minacciati da un nuovo flagello: l'intelligenza artificiale. Ma cosa accadrebbe se questa intelligenza iniziasse a produrre mostri nelle "nanofabbriche"? L'artista Yevgeny Podkolzin per l'almanacco "Voglio sapere tutto" ha battuto questa situazione in modo umoristico (Fig. 5).

Figura 5. Nanobot costruisce un mostro.

disegno di Evgeny Podkolzin

La creazione di nuove strutture presso le "nanofabbriche" è ora sotto il controllo dell'uomo. Il controllo è necessario per ridurre i rischi della riproduzione spontanea sfrenata delle nanostrutture, che, come in un thriller di fantascienza, possono entrare in battaglia con la vita terrena e distruggere tutto ciò che vive sulla terra, trasformare il pianeta in un paradiso di melma grigia. Si noti che il penultimo premio Nobel per la chimica è stato assegnato per il lavoro nel campo della nanotecnologia, quindi quest'area è molto calda ...

Locomotiva a vapore in tasca

Figura 6. Lev Blumenfeld

In qualsiasi cellula vivente, anche in una piccola come il famoso batterio Escherichia coli(ha circa 5 micron di lunghezza e 1–1,5 micron di diametro) - funzionano milioni di nanorobot proteici. Svolgono tutti gli affari necessari per la vita dello stato cellulare. Esistono diversi tipi di nanorobot: messaggeri, vettori, designer, riparatori, addetti alle pulizie.

Capire come funzionano i nanorobot non è arrivato immediatamente. Negli anni sessanta del XX secolo, i biofisici Dmitry Chernavsky, Yuri Khurgin e Simon Shnol svilupparono il concetto di "macchina proteica", la cui conferma sperimentale fu effettuata dal fondatore del Dipartimento di Biofisica della Facoltà di Fisica di Mosca Università statale (Fig. 6). Nelle sue opere scrive di stati di non equilibrio delle proteine ​​e del rilassamento di una macchina-proteina nel processo di trasformazione della materia in una cellula.

Ora questo è già diventato un luogo comune: i biofisici hanno affermato direttamente che una proteina è una macchina, sono stati scoperti anche motori molecolari ( centimetro., ad esempio, l'articolo " Motori proteici: al servizio dell'uomo e delle nanotecnologie» ). Certo, non una semplice macchina, ma speciale, biologica. Che cos'è una "macchina" comunque? Nella vita di tutti i giorni, questo è ciò che chiamano un'auto, una lavatrice, una macchina utensile in una fabbrica, e nel diciannovesimo secolo questo significava una macchina a vapore. Ma se si pensa scientificamente, allora una macchina è un sistema costruito secondo un piano da parti diverse e dissimili e progettato per svolgere determinate funzioni (una definizione del genere era data dall'accademico Ivan Artobolevsky).

Gli enzimi e gli altri nanorobot soddisfano esattamente questa definizione: sono costruiti secondo il piano stabilito nel DNA e svolgono funzioni rigorosamente definite. Parti di proteine ​​- molecole di monomeri - non sono simili tra loro, hanno forma e composizione chimica diverse. Quando si combinano diversi monomeri, si ottiene una grande molecola organica: un polimero. Tali polimeri proteici diventano macchine molecolari, nanorobot. In ogni enzima nanorobot c'è la sua "parte strutturale" (analoga al letto della macchina) e il "centro attivo" - uno strumento di lavoro. Quasi come in qualsiasi fabbrica! Ma le dimensioni di tali macchine non hanno analoghi nella natura inanimata.

E se le dimensioni della macchina sono insolite, il funzionamento di questi dispositivi è diverso dalle azioni a cui siamo abituati. Dopotutto, quasi tutto nel nanomondo non è lo stesso del nostro macrocosmo umano. Non per niente ci siamo ricordati della macchina a vapore. I principi del motore a vapore hanno costituito la base della termodinamica, la scienza del trasferimento e della trasformazione dell'energia. Questo non è successo perché la macchina a vapore era così ideale: era solo che quando la termodinamica ha preso forma, non c'erano altre macchine. E il suo dispositivo mostra in modo particolarmente chiaro i processi di conversione dell'energia.

Senza il trasferimento e la trasformazione dell'energia, ovviamente, non possono esistere organismi e singole cellule. Tutta la loro vita, come abbiamo scritto sopra, è un processo costante di scambio di energia con l'ambiente, un tale scambio in cui viene svolto un certo lavoro. Solo il motore a vapore svolge il suo lavoro in modo estremamente grezzo rispetto alle azioni dei nanorobot. La macchina a vapore si occupa di un'enorme massa di molecole (vapore o gas). Quando riscaldate, queste molecole con la loro intera massa tendono a liberarsi (cioè a raggiungere l'equilibrio con l'ambiente esterno freddo), esercitano pressione sul pistone bloccando il loro percorso verso la libertà e lavorano.

Nelle nanomacchine è vero il contrario. Una proteina nanorobot non è in grado di spostare grandi volumi di materia, ma vede ogni molecola separatamente ed è in grado di gestire l'energia in essa contenuta. Immagina che tali dispositivi vengano utilizzati in un motore a vapore: un nanorobot "lavora" con ogni molecola di vapore, la cattura e la trascina al posto giusto, quindi la rilascia.

Quindi il pistone pesante, gli azionamenti idraulici diventeranno superflui e l'intera macchina con una capacità di mille cavalli può diventare minuscola, delle dimensioni di una chiavetta USB o di un chip. È vero, ciò richiederà tanti nanorobot quante sono le molecole di vapore o gas in un dato volume, e sono necessari anche dispositivi speciali, "addestrati" per lavorare in questa particolare professione. E abbiamo ancora bisogno di cercare tali in natura. Ma le prospettive sono allettanti.

Tuttavia, per quanto possa sembrare magica una locomotiva a vapore che sta in tasca, il lavoro di una vera cellula vivente sembra ancora più fantastico. Dopotutto, un motore a vapore (come qualsiasi altra centrale elettrica) utilizza solo il desiderio di qualsiasi sostanza di bilanciarsi con l'ambiente esterno e il limite dell'equilibrio è la cosiddetta "morte termica dell'Universo" - uno stato in cui tutti gli oggetti del mondo, dalle molecole alle galassie, diventerà ugualmente caldo, o piuttosto ugualmente freddo, e ogni movimento cesserà.

Il lavoro dei nanorobot ha un vettore completamente diverso. Loro, a differenza della macchina a vapore, non usano solo l'entropia, ma la contrastano al meglio delle loro capacità. Lev Blumenfeld ha scritto che la "macchina molecolare" controlla gli stati delle singole molecole. Quando si tratta di una molecola di sostanza, i nanorobot non le consentono di muoversi in modo casuale: trasferiscono le molecole dove la cellula ha bisogno per la sua nutrizione e crescita, regolano la chimica e la fisica dei processi.

In definitiva, l'energia del vapore in una caldaia (o l'energia della combustione del carburante nel motore di un'automobile) è la somma delle energie del movimento delle singole molecole di vapore o di un altro "fluido di lavoro". Ma quando il motore a vapore "somma" queste energie delle singole molecole, si verificano inevitabili perdite durante la "generalizzazione". Alcune molecole filtrano attraverso le fessure del dispositivo, altre volano nell'angolo senza alcun beneficio, ecc. All'incirca la stessa cosa accade con una cattiva contabilità in una grande economia: parte della merce e dei materiali si deteriora in magazzino senza prendere parte alla produzione, un'altra parte viene inviata a destinazione sbagliata, la terza viene portata via dai roditori ... Quando operare con milioni e miliardi di oggetti "shrinkage and shakedown" è inevitabile. Ma diventeranno impossibili se ogni articolo viene contabilizzato separatamente, se tutto viene contabilizzato e ogni articolo ha il suo magazziniere.

Naturalmente, nel nostro mondo questo non è fattibile. Per noi è più redditizio perdere parte dei prodotti che pagare il lavoro di milioni di contabili e controllori. Ma il nanomondo ha le sue idee su cosa è redditizio e cosa non è redditizio. Pertanto, l'efficienza di una macchina proteica non è dell'8 percento, come una locomotiva a vapore, ma quasi 10 volte di più!

Le macchine molecolari proteiche differiscono dalla macchina classica per un'altra caratteristica. In una centrale elettrica convenzionale, la macchina stessa (il suo meccanismo, il corpo) e il "fluido di lavoro" (acqua o vapore di benzina) sono oggetti diversi. Un nanorobot è, di regola, sia un meccanismo che un corpo funzionante allo stesso tempo. I flussi di energia non fluiscono attraverso i nanorobot sotto forma di vapore o fuoco: si muovono in se stessi durante le reazioni chimiche.

Microtubuli - fonte di pensiero?

Il tipo più comune di nanorobot sono gli enzimi conosciuti dal 19° secolo. Solo enzimi, ne esistono circa cinquemila varietà. Queste sono proteine ​​speciali - catalizzatori di processi biochimici, che senza la loro partecipazione andrebbero molte volte più lentamente.

Gli enzimi sono macchine proteiche con un programma rigido. Ognuno di loro è adattato per risolvere un problema molto specifico. Ma tutti, in un modo o nell'altro, sono catalizzatori di reazioni chimiche, cioè aiutano la trasformazione di una sostanza in un'altra. Piuttosto, gli enzimi convertono semplicemente una reazione chimica, che avrebbe dovuto andare "naturalmente" senza molti benefici per la cellula e l'organismo, in un'altra utile. Come già accennato, reindirizzano la reazione dal percorso di minor resistenza (che dà poca energia) al percorso che è difficile, ma energeticamente efficiente.

Un altro tipo di nanorobot sono i riparatori. Sebbene il DNA sia una molecola stabile, può comunque essere danneggiato. La ragione di ciò sono le radiazioni, le sostanze mutagene, i radicali liberi. Un ruolo speciale è svolto dalla "depurinizzazione": la scissione delle basi azotate della molecola del DNA, cioè la sua distruzione. In una soluzione semplice (non vivente), questo processo procede abbastanza rapidamente e se la stessa cosa accadesse in una cellula, il DNA non vivrebbe per più di una settimana e la cellula sarebbe condannata a morte. Tuttavia, il DNA di ogni cellula umana perde circa cinquemila basi puriniche al giorno. Ma dispositivi speciali funzionano nella cella - complessi di riparazione("riparazione" in latino significa "restaurazione"). Possono essere paragonati a una squadra di riparazioni su una ferrovia, che guida costantemente lungo i binari, trovando danni e riparandoli. Le riparazioni sono in grado di riparare anche i danni da radiazioni al DNA. La complessità del lavoro delle riparazioni (come, del resto, di altri nanorobot) è ammirevole: un computer difficilmente può simulare le loro azioni. Per comprendere il funzionamento di questi dispositivi è necessaria la conoscenza della matematica superiore e della fisica quantistica.

Il processo di divisione cellulare - che si tratti di mitosi o meiosi - è uno dei processi più fantastici nell'universo. È servito da un enorme team di nanorobot. Oltre a quelli relativi alla duplicazione del DNA, in questo team sono inclusi i nanorobot centriolet. I centrioli sono una sorta di poli attorno ai quali è attorcigliato il "fuso" del materiale genetico. Sono costituiti da 27 elementi cilindrici - "microtubuli" - che si basano su molecole proteiche della tubulina.

Oltre al lavoro di riproduzione cellulare, i microtubuli sono coinvolti nella creazione del citoscheletro: senza il loro supporto, la cellula si trasformerebbe in una goccia amorfa. I microtubuli funzionano anche come condutture: le sostanze vengono trasferite attraverso di essi da un'estremità all'altra della cellula.

Sembrerebbe che il ruolo dei centrioli nel lavoro della cellula sia puramente meccanico. Tuttavia, furono questi organoidi che il biologo americano Gunther Albrecht-Bühler (a proposito, un fisico di formazione) chiamò il "cervello della cellula". Un altro biologo statunitense, Stuart Hameroff, ha suggerito che è con i microtubuli che stanno alla base della struttura dei centrioli che è associato il fenomeno più sorprendente dell'intero universo: la coscienza.

Questa idea è nata da Hameroff a causa del fatto che è un anestesista di professione. Un bel giorno scoprì che alcune sostanze utilizzate in anestesia (narcosi) modificano la struttura dei nanotubi racchiusi nei processi delle cellule nervose (assoni e dendriti).

Il pensiero di Hameroff ha sviluppato qualcosa del genere: l'anestesia è un modo per spegnere la coscienza. La coscienza disconnessa corrisponde a microtubuli alterati. Ciò significa che i microtubuli nella loro forma naturale e inalterata sono i portatori della coscienza "on".

È vero, in seguito si è scoperto che non tutte le sostanze anestetiche hanno un effetto così evidente sui microtubuli. Ma lo scienziato, tuttavia, continuò a sviluppare la sua teoria e alla fine pubblicò un libro in cui sosteneva che i microtubuli sono l'apparato per calcolare e integrare le informazioni nel cervello. Se l'ipotesi di Hameroff è corretta, si scopre che tra i nanorobot non ci sono solo "chimici" e "riparatori", ma anche nanocomputer. C'è un'altra ipotesi basata sul fatto che il legame idrogeno è una cellula ideale per qubit(bit quantistico - unità di calcolo quantistico) - in esso, il protone può essere localizzato nell'uno o nell'altro "pozzo" di energia, facendo "salti quantici" tra di loro. Da queste posizioni, la nostra stessa coscienza è determinata dalla totalità delle operazioni dei nanocomputer.

Sebbene altri scienziati non siano d'accordo con un approccio così meccanicistico, non solo alla coscienza umana, ma anche al lavoro di una cellula vivente. La confutazione o la prova di questa ipotesi è compito della scienza del futuro, forse non così lontana.

Infusoria-shoe, l'anima del cellulare e gli algoritmi dei computer

Il lavoro congiunto e coordinato con precisione di milioni di nanorobot crea quel fenomeno unico che chiamiamo "vita". È possibile riprodurre artificialmente un tale sistema? L'artista Yevgeny Podkolzin ha rappresentato scherzosamente le azioni dei nanorobot in una cella (Fig. 7).

Figura 7. Il lavoro dei nanorobot in una cella.
Per vedere l'immagine a schermo intero, fare clic su di essa.

disegno di Evgeny Podkolzin

La creazione di un essere vivente in una provetta è un vecchio sogno degli alchimisti. In letteratura, l'immagine di un tale sognatore è stata creata da Goethe nel Faust. Nell'Ottocento ci furono tentativi, ingenui dal punto di vista moderno, di creare una "cella artificiale". Oggi, con l'annuncio della creazione di una cellula vivente artificiale (a cui è stato addirittura dato un nome: Cynthia, Cinzia in latino) è stato consegnato da Craig Venter - CEO and Firms La longevità umana Inc.. Ha partecipato con successo al programma "Genome umano", ha impostato e risolto il problema della creazione di DNA artificiale. Nel 2010 ha introdotto un genoma artificiale da lui creato in un organismo unicellulare. Mycoplasma mycoides- e questo genoma, come ci si aspetterebbe, ha funzionato, producendo le proteine ​​necessarie.

Ma l'affermazione che è riuscito a creare una cellula vivente è una chiara esagerazione. Questo lavoro può essere paragonato alla creazione di un programma per un computer, ma non alla creazione del computer stesso. Il DNA è solo un programma, e se milioni di nanorobot ricevuti dalla cellula “per eredità” non funzionassero nel micoplasma, il programma rimarrebbe solo un testo che nessuno sarebbe in grado di leggere.

Ma nonostante i successi e gli insuccessi di Venter, lo studio dei nanorobot a cellule viventi e del loro funzionamento apre in realtà possibilità completamente nuove per la nanotecnologia. Negli anni '60 sorse bionica- "la scienza dell'utilizzo di prototipi biologici per trovare nuove soluzioni tecniche". Nel 21° secolo, la scienza è già alla ricerca di idee per creare nuovi dispositivi nanotecnologici in una cellula vivente. Questo è ciò che sta facendo la nuova scienza del 21° secolo - nanobionica.

La creazione di veri nanorobot e l'utilizzo dei loro prototipi biologici aiuterà a risolvere i problemi nelle aree più inaspettate: dalla medicina all'ecologia e da quella che una volta si chiamava cibernetica, e ora l'informatica. Sono già apparsi dispositivi di archiviazione delle informazioni basati sul farmaco Biochrom, che utilizzano la capacità di una proteina fotosensibile batteriorodopsina cambia la sua conformazione (disposizione spaziale degli atomi) all'assorbimento di un quanto di luce. È stata inventata una tecnica rivoluzionaria che consente di rilevare anche una sola (!) molecola di RNA in un campione di aria o liquido, che può essere associata a un'infezione.

La ricerca nel campo della nanobionica darà nuova vita alla direzione scientifica più interessante - citoetologia, la scienza del comportamento cellulare, che si basa sull'interazione coordinata di nanorobot cellulari. Il biologo Vladimir Alexandrov (Fig. 8) ha scritto della necessità di sviluppare la ricerca nel campo della citoetologia, che ha pubblicato nel 1970 l'articolo " Il problema del comportamento a livello cellulare - citoetologia» . In essa, nell'era del "materialismo dialettico", ha osato dichiarare: " Gli organelli cellulari e le cellule stesse hanno la loro piccola, ma anima.».

In effetti, il comportamento dei nanorobot e delle cellule viventi ci fa pensare alla loro fondamentale differenza rispetto ai sistemi tecnici standard. Sembra incredibile, ma forse è a questo livello che sorge la proprietà dei sistemi viventi, che a livello dell'organismo (soprattutto brillantemente - negli esseri umani) è chiamata "libero arbitrio". Questo è un problema molto profondo all'intersezione tra biofisica, meccanica quantistica, filosofia e teologia. Se confrontiamo una cellula vivente con un computer, vale la pena considerare se questo computer è quantistico?

Il primo famoso scienziato che ha proposto un modello di computer quantistico è stato Richard Feynman, lo stesso fisico che, nel tempo libero dal suo lavoro principale, ha esaminato un infusorio di scarpe al microscopio e l'idea del calcolo quantistico è stata espressa dal russo il fisico Yuri Manin un anno prima di Feynman.

Non è stato ancora creato un computer quantistico a tutti gli effetti, anche se esistono già i primi modelli operativi e sono stati scritti programmi per tali computer. La principale differenza tra un computer quantistico e uno ordinario sarà il lavoro sui principi della meccanica non classica, ma quantistica. Come è noto, la meccanica quantistica ammette tali stati della materia che, se trasferiti nel nostro mondo, sembrerebbero miracolosi (ad esempio la presenza simultanea di una particella in due luoghi diversi). Tali effetti quantistici costituiranno la base degli algoritmi software per i nuovi computer. E questo consentirà di risolvere tali problemi che le "macchine calcolatrici" di oggi non si sarebbero mai sognate. Un "cervello" quantistico sarà per la prima volta in grado di eguagliare la complessità dei processi che si verificano nella natura vivente, ad esempio nella stessa cellula vivente.

Le macchine attuali possono funzionare solo con modelli, cioè con immagini semplificate della realtà. Per un computer quantistico, la realtà biologica (e, ad esempio, astronomica) sarà difficile per la prima volta.

È interessante notare che è stata la complessità dei processi biologici a portare Feynman (e i suoi associati) all'idea di un computer quantistico. È possibile che l'idea di creare una macchina del genere sia nata dalle sue osservazioni dello stesso paramecio.

Sembra che si sia formato un circolo vizioso: i fisici considerano le cellule viventi dei computer quantistici, il cui funzionamento può essere compreso solo con l'aiuto del calcolo quantistico. L'uscita da questo cerchio è possibile dopo la creazione di un computer davvero potente basato su processi quantistici.

Oggi, tali dispositivi richiedono un raffreddamento profondo e possono gestire al massimo alcune centinaia di qubit. Inoltre, gli ingegneri non hanno ancora capito come proteggere il cervello quantistico dalle influenze elettromagnetiche e di altro tipo, a cui il nuovo computer sarà molto più sensibile dei personal computer a cui siamo abituati. Apparentemente, una cellula vivente mantiene il segreto dell'elaborazione delle informazioni quantistiche con una quantità molto maggiore di calcoli, pur avendo una buona protezione dalle influenze esterne.

Scoprire e studiare questi processi è una sfida per le nuove generazioni di citologi e biofisici. Auguriamo loro successo!

Una versione estesa dell'articolo è in preparazione per la pubblicazione nell'almanacco “Voglio sapere tutto” (Casa editrice “Dom detskoj kniga”, San Pietroburgo). Gli autoriesprimere gratitudine all'editore dell'almanacco Sergej Ivanov per proficue discussioni, all'artista Evgeny Podkolzin per le immagini gentilmente fornite e all'editore Alla Nasonova- per il permesso di utilizzare il materiale dell'almanacco in questo articolo.

Letteratura

1. Feynman RF "Certo che sta scherzando, signor Feynman!" M.: "Dinamica regolare e caotica", 2001. - 87 p.;
2. Bauer E.S. Biologia Teorica. M.-L.: casa editrice VIEM, 1935. - 150 p.;
3. Fumetto di fiaba sulla grande battaglia tra radicali e antiossidanti;. Motori proteici: al servizio dell'uomo e delle nanotecnologie;
4. L'intera teoria è allo sbando. (2012). "Lenta.Ru";
5. Rezhabek BG (1998). Sviluppo e stato attuale delle idee sugli amplificatori biologici. Convegno in memoria di P.G. Kuznetsova;
6. Con la luce del genoma: quanto è la dimensione minima di un genoma batterico? ;
7. Kogan AB, Naumov NP, Rezhabek VG, Chorayan OG Cibernetica biologica. M.: "Scuola Superiore", 1972. - 382 p.;
8. Aleksandrov V.Ya. Comportamento delle cellule e delle strutture intracellulari. M.: "Conoscenza", 1975. - 64 p..

La maggior parte degli storici attribuisce al fisico Richard Feynman e al suo discorso del 1959, "C'è molto spazio laggiù", l'ideatore del termine. Nel suo discorso, Feynman ha immaginato un giorno in cui le macchine avrebbero potuto essere così ridotte e così tante informazioni codificate in spazi minuscoli, che da quel giorno sarebbero iniziate scoperte tecnologiche assolutamente incredibili.

Ma è stato il libro di Eric Drexler Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology che ha davvero rotto questa idea. Drexler ha introdotto l'idea delle nanomacchine autoreplicanti: macchine che costruiscono altre macchine.

Poiché queste macchine sono programmabili, possono essere utilizzate per costruire non solo più macchine di questo tipo, ma qualunque cosa tu voglia. E poiché questa costruzione avviene a livello atomico, questi nanorobot possono smontare qualsiasi tipo di materiale (suolo, acqua, aria, qualunque cosa) atomo per atomo e assemblare qualsiasi cosa da esso.

Drexler ha dipinto l'immagine di un mondo in cui l'intera Biblioteca del Congresso può stare su un chip delle dimensioni di una zolletta di zucchero e dove gli scrubber ambientali puliscono gli inquinanti direttamente dall'aria.

Ma prima di esplorare le possibilità della nanotecnologia, impariamo le basi.

Che cosa " "?

La nanotecnologia è scienza, ingegneria e tecnologia eseguite su scala nanometrica, che è compresa tra 1 e 100 nanometri. In sostanza, questa è la manipolazione e il controllo dei materiali a livello atomico e molecolare.

Per farti capire, immaginiamo cos'è un nanometro:

• Il rapporto tra la Terra e il cubo dei bambini è approssimativamente il rapporto tra un metro e un nanometro.
• Questo è un milione di volte meno della lunghezza di una formica.
• Lo spessore di un foglio di carta è di circa 100.000 nanometri.
• Il diametro di un globulo rosso è di 7000-8000 nanometri.
• Il diametro della catena del DNA è di 2,5 nanometri.

Un nanorobot è una macchina in grado di costruire e manipolare le cose con precisione e a livello atomico. Immagina un robot in grado di manipolare gli atomi come un bambino può manipolare i mattoncini LEGO, costruendo qualsiasi cosa con i mattoni atomici di base (C, N, H, O, P, Fe, Ni, ecc.). Mentre alcune persone liquidano il futuro dei nanobot come fantascienza, devi capire che ognuno di noi è vivo oggi grazie alle innumerevoli operazioni di nanobot nei nostri trilioni di cellule. Diamo loro nomi biologici come "ribosomi", ma in fondo sono macchine programmate con una funzione.

Vale anche la pena fare una distinzione tra nanotecnologie "umide" o "biologiche", che utilizzano il DNA e le macchine della vita per creare strutture uniche a partire da proteine ​​o DNA (come materiale da costruzione), e nanotecnologie più Drexleriane, che implicano la costruzione di un "assemblatore", o una macchina che si impegna nella stampa 3D con atomi su scala nanometrica per creare in modo efficiente qualsiasi struttura termodinamicamente stabile.

Diamo un'occhiata a diversi tipi di nanotecnologie con cui i ricercatori stanno lottando.

Vari tipi di nanorobot e applicazioni

In generale, ci sono molti nanorobot. Eccone solo alcuni.

• I motori più piccoli possibili. Un gruppo di fisici dell'Università di Magonza in Germania ha recentemente costruito il più piccolo motore a un atomo della storia. Come qualsiasi altro, questo motore converte l'energia termica in movimento, ma lo fa su scala ridotta. L'atomo è intrappolato in un cono di energia elettromagnetica e i laser lo riscaldano e lo raffreddano, facendo muovere l'atomo nel cono avanti e indietro come un pistone in un motore.
• Nanomacchine a DNA in movimento 3D. Gli ingegneri meccanici della Ohio State University hanno progettato e costruito parti meccaniche complesse su nanoscala utilizzando "DNA origami" - dimostrando che gli stessi principi di progettazione di base che si applicano alle macchine a grandezza naturale possono essere applicati al DNA - e possono produrre componenti complessi e controllati per futuri nanorobot.
• Nanopinne. Gli scienziati dell'ETH di Zurigo e del Technion hanno sviluppato una "nanopinna" elastica sotto forma di un nanofilo di polipirrolo (Ppy), lungo 15 micrometri (milionesimo di metro) e spesso 200 nanometri, che può muoversi attraverso un fluido biologico a una velocità di 15 micrometri al secondo. Le nanopinne possono essere adattate per fornire farmaci e utilizzare magneti per guidarli attraverso il flusso sanguigno per colpire le cellule tumorali, ad esempio.
• Nanodrive della formica. Gli scienziati dell'Università di Cambridge hanno sviluppato un minuscolo motore in grado di esercitare 100 volte il proprio peso su qualsiasi muscolo. Nuovi nanomotori potrebbero portare a nanorobot abbastanza piccoli da penetrare nelle cellule viventi e combattere le malattie, affermano gli scienziati. Il professor Jeremy Baumberg del Cavendish Laboratory, che ha guidato lo studio, ha definito il dispositivo una "formica". Come una vera formica, può esercitare una forza molte volte il proprio peso.
• Microrobot per tipo di spermatozoi. Un team di scienziati dell'Università di Twente (Paesi Bassi) e dell'Università tedesca del Cairo (Egitto) ha sviluppato microrobot simili a spermatozoi che possono essere controllati oscillando deboli campi magnetici. Potrebbero essere utilizzati per micromanipolazioni complesse e compiti terapeutici mirati.
• Robot a base di batteri. Gli ingegneri della Drexel University hanno sviluppato un modo per utilizzare i campi elettrici per aiutare i robot microscopici alimentati da batteri a rilevare e superare gli ostacoli. Le applicazioni includono la somministrazione di farmaci, la manipolazione delle cellule staminali per dirigere la loro crescita o la costruzione di microstrutture.
• Nanorazzi. Diversi team di ricercatori hanno recentemente costruito una versione telecomandata ad alta velocità di razzi su scala nanometrica combinando nanoparticelle con molecole biologiche. Gli scienziati sperano di sviluppare un razzo in grado di operare in qualsiasi ambiente; ad esempio, per somministrare un farmaco in un'area bersaglio del corpo.

I principali ambiti di applicazione delle nano e micromacchine

Le possibilità di utilizzare tali nano e micromacchine sono quasi illimitate. Per esempio:

• Trattamento per il cancro. Rileva e distruggi le cellule tumorali in modo più accurato ed efficiente.
• Meccanismo di somministrazione dei farmaci. Costruire meccanismi mirati di somministrazione di farmaci per controllare e prevenire le malattie.
• imaging medico. La creazione di nanoparticelle che si assemblano in tessuti specifici e quindi scansionano il corpo in un processo di risonanza magnetica potrebbe rivelare problemi come il diabete.
• Nuovi dispositivi di rilevamento. Con possibilità virtualmente illimitate di personalizzare le caratteristiche di rilevamento e scansione dei nanorobot, potremmo scoprire i nostri corpi e misurare il mondo che ci circonda in modo più efficace.
• Dispositivi di archiviazione delle informazioni. Un bioingegnere e genetista del Wyss Institute di Harvard ha archiviato con successo 5,5 petabit di dati - circa 700 terabyte - in un singolo grammo di DNA, superando di mille volte il precedente record di densità dei dati del DNA.
• Nuovi sistemi energetici. I nanorobot possono svolgere un ruolo nello sviluppo di un sistema di energia rinnovabile più efficiente. Oppure potrebbero rendere le nostre macchine moderne più efficienti dal punto di vista energetico in modo tale da aver bisogno di meno energia per funzionare in modo efficiente come prima.
• Metamateriali ultra resistenti. Molte ricerche sono state fatte nel campo dei metamateriali. Un team del California Institute of Technology ha sviluppato un nuovo tipo di materiale, costituito da montanti di dimensioni nanometriche simili a quelli della Torre Eiffel, che è uno dei più resistenti e leggeri della storia.
• Finestre e pareti intelligenti. I dispositivi elettrocromici che cambiano colore dinamicamente quando viene applicato un potenziale sono ampiamente studiati per l'uso in finestre intelligenti ad alta efficienza energetica, che potrebbero mantenere la temperatura interna di una stanza, autopulirsi e altro ancora.
• Microspugne per ripulire gli oceani. Una spugna di nanotubi di carbonio in grado di assorbire gli inquinanti dell'acqua come fertilizzanti, pesticidi e prodotti farmaceutici è tre volte più efficace delle opzioni precedenti.
• Replicatori. Conosciuti anche come "assemblatori molecolari", questi dispositivi proposti possono effettuare reazioni chimiche disponendo molecole reattive con precisione atomica.
• Sensori di salute. Questi sensori potrebbero monitorare la nostra chimica del sangue, informarci di tutto ciò che sta accadendo, rilevare cibo spazzatura o infiammazioni nel corpo e così via.
• Connettere il nostro cervello a Internet. Ray Kurzweil crede che i nanorobot ci consentiranno di connettere il nostro sistema nervoso biologico al cloud nel 2030.

Come puoi vedere, questo è solo l'inizio. Le possibilità sono quasi infinite.

La nanotecnologia ha il potenziale per risolvere i maggiori problemi che il mondo deve affrontare oggi. Potrebbero migliorare la produttività umana, fornirci tutti i materiali, acqua, energia e cibo di cui abbiamo bisogno, proteggerci da batteri e virus sconosciuti e persino ridurre il numero di motivi per disturbare la pace.

Se ciò non bastasse, il mercato delle nanotecnologie è enorme. Entro il 2020, l'industria globale delle nanotecnologie crescerà fino a raggiungere un mercato di 75,8 miliardi di dollari.

Altre definizioni descrivono un nanorobot come una macchina in grado di interagire accuratamente con oggetti su scala nanometrica o in grado di manipolare oggetti su scala nanometrica. Di conseguenza, anche dispositivi di grandi dimensioni, come un microscopio a forza atomica, possono essere considerati nanorobot, poiché manipola oggetti su scala nanometrica. Inoltre, anche i normali robot in grado di muoversi con precisione su scala nanometrica possono essere considerati nanorobot.

Livello tecnologico

Al momento (2009), i nanorobot sono nella fase di ricerca della creazione. Alcuni scienziati affermano che alcuni componenti dei nanorobot sono già stati creati. Numerose conferenze scientifiche internazionali sono dedicate allo sviluppo di componenti di nanodispositivi e direttamente ai nanorobot.

Sono già stati realizzati alcuni primitivi prototipi di macchine molecolari. Ad esempio, un sensore dotato di un interruttore di circa 1,5 nm in grado di contare singole molecole in campioni chimici. Di recente, la Rice University ha dimostrato nanodispositivi da utilizzare nella regolazione dei processi chimici nelle auto moderne.

Uno dei prototipi di nanorobot più complessi è il "DNA box", creato alla fine del 2008 da un team internazionale guidato da Jörgen Kjems. Il dispositivo ha una parte mobile controllata mediante l'aggiunta di frammenti di DNA specifici al mezzo. Secondo Kyems, il dispositivo può funzionare come un "DNA computer", poiché è possibile implementare porte logiche sulla sua base. Una caratteristica importante del dispositivo è il suo metodo di assemblaggio, il cosiddetto DNA origami, grazie al quale il dispositivo viene assemblato automaticamente.

Teoria dei nanorobot

Poiché i nanorobot sono di dimensioni microscopiche, probabilmente ne avranno bisogno molti per lavorare insieme nella risoluzione di problemi microscopici e macroscopici. Considerano stormi di nanorobot che non sono in grado di replicarsi (la cosiddetta "nebbia di servizio") e che sono in grado di autoreplicarsi nell'ambiente ("gray goo" e altre opzioni). I nanobot sono ampiamente descritti nella fantascienza, come nel film Terminator 2: Judgment Day, il robot T-1000 dimostra chiaramente il potenziale utilizzo dei nanorobot nell'equipaggiamento militare. Oltre alla parola "nanorobot", vengono utilizzate anche le espressioni "nanite", "nanogen" e "nanomant", tuttavia la versione originale è ancora il termine tecnicamente corretto nel contesto di una seria ricerca ingegneristica.

Alcuni sostenitori dei nanorobot, in risposta allo scenario del "grey goo", hanno espresso l'opinione che i nanorobot siano in grado di replicarsi solo in un numero limitato e in un certo spazio di una nanofabbrica. Inoltre, deve ancora essere sviluppato un processo autoreplicante che renderebbe sicura questa nanotecnologia. Inoltre, l'auto-replicazione gratuita dei robot è un processo ipotetico e non è nemmeno considerato negli attuali piani di ricerca.

motore molecolare

Tuttavia, ci sono piani per creare nanorobot medici che verranno iniettati in un paziente e svolgeranno il ruolo di comunicazione wireless su scala nanometrica. Tali nanorobot non possono essere prodotti mediante autocopiatura, poiché è probabile che ciò introduca errori di copia che possono ridurre l'affidabilità del nanodispositivo e modificare le prestazioni delle attività mediche. Invece, i nanorobot dovrebbero essere fabbricati in nanofabbriche mediche specializzate.

elica molecolare

In connessione con lo sviluppo della direzione della ricerca scientifica dei nanorobot, le questioni della loro progettazione specifica sono ora più acute, come il rilevamento, le connessioni di forza tra le molecole, la navigazione, gli strumenti di manipolazione, l'apparato di propulsione, i motori molecolari e un computer di bordo progettato per risolvere problemi medici. Sebbene la maggior parte di questi compiti non sia stata ancora risolta e manchino proposte ingegneristiche dettagliate, è stata istituita la Nanofactory Development Collaboration, fondata da Robert Freitas e Ralph Merkle nel 2000, che si concentra sullo sviluppo di un programma di ricerca pratico che mira a creare un nanofabbrica di diamanti meccanosintetici controllati, che sarà in grado di produrre nanorobot medici basati su composti diamantati.

Portata potenziale

La prima applicazione utile delle nanomacchine, qualora dovessero apparire, è prevista nella tecnologia medica, dove possono essere utilizzate per identificare e distruggere le cellule tumorali. Possono anche rilevare sostanze chimiche tossiche nell'ambiente e misurarne i livelli.

I nanobot nella cultura popolare

L'idea dei nanorobot è ampiamente utilizzata nella fantascienza moderna.

• Nanobots è dedicato alla composizione omonima (Nanobots) del gruppo Re-zone
• La trama dei giochi Deus Ex e Deus Ex: Invisible War si basa sull'uso diffuso dei nanorobot in futuro

Guarda anche

Collegamenti

• Nanorobot: futuro trionfo o tragedia per l'umanità?

Appunti

Fondazione Wikimedia. 2010.

Sinonimi:

Guarda cos'è "Nanobot" in altri dizionari:

Exist., numero di sinonimi: 1 nanorobot (2) Dizionario dei sinonimi ASIS. V.N. Trishin. 2013... Dizionario dei sinonimi

nanobot- Nanomacchina robotica nanotecnologica (nanite), le cui dimensioni sono misurate in nanometri Temi di biotecnologia EN nanobot … Manuale tecnico del traduttore

nanobot- Nanobot Nanobot (nanobot) Un dispositivo su nanoscala controllato da software, creato mediante tecnologia molecolare e dotato di sufficiente autonomia. Questi ipotetici dispositivi che misurano in unità e decine di nanometri possono ... ... Dizionario esplicativo inglese-russo di nanotecnologia. - M.

I nanorobot sono robot le cui dimensioni sono paragonabili a quelle di una molecola. Hanno le funzioni di movimento, elaborazione e trasmissione di informazioni, esecuzione di programmi e, in alcuni casi, possibilità di auto-riproduzione.

Per la prima volta, lo scienziato americano Kim Eric Drexler, definito il "padre della nanotecnologia", ha parlato apertamente della creazione di nanorobot. Lo scienziato ha considerato l'idea di creare nanorobot nel suo libro Machines of Creation. Qui ha presentato uno scenario ipotetico per far rivivere le persone crionizzate. Questo è il primo teorico della creazione di nanorobot molecolari e del concetto di "gray goo". Drexler ha partecipato alla ricerca della NASA sugli insediamenti spaziali nel 1975 e nel 1976. Ha sviluppato pannelli solari ad alta efficienza basati sulla nanotecnologia ed è stato anche attivamente coinvolto nella politica spaziale.

Nel 2010 sono stati presentati per la prima volta nanorobot basati sul DNA in grado di muoversi nello spazio. E prima di allora, la ricerca segreta era costantemente condotta in questo settore.

Perché vengono creati i nanorobot? Secondo i dati ufficiali, possono fornire un'assistenza inestimabile in medicina. È previsto che questi robot microscopici vengano iniettati nel paziente e svolgano il ruolo di comunicazione wireless e una serie di altri compiti su scala nanometrica.

Si presume che fino ad ora i nanorobot non siano stati testati sull'uomo, tuttavia, negli ultimi 10-20 anni, sono emersi fatti che i nanorobot sono già nel corpo di molte persone in tutto il mondo, escono direttamente dalla pelle umana, distruggono cellule interne umane, interrompono il funzionamento di tutti i sistemi corporei.

Diversi ricercatori volontari nel campo hanno confrontato le fotografie di alcuni dei nanobot presenti in pubblicazioni scientifiche e le fotografie ingrandite con i nanobot estratti da corpi umani. Le foto sono presentate di seguito.

Lo sfondo generale è la foto di un nanorobot estratto dal corpo di un americano che da 13 anni osserva come il suo corpo viene gradualmente distrutto da creature incomprensibili e chiaramente miracolose. A destra - una foto di un nanorobot della rivista scientifica "Advanced Materials".

Domanda: da dove vengono nel corpo umano i nanorobot identici a quelli presentati in una rivista scientifica?

E la cosa peggiore è che ci sono sempre più pazienti del genere in tutto il mondo. Nessuno dà una spiegazione per questo. La ricerca non è in corso. Scienziati e medici che stanno cercando di fare ricerca muoiono in circostanze misteriose. L'unica cosa che alcuni medici sono riusciti a scoprire analizzando questi nanorobot trovati nel corpo delle persone è che sono composti principalmente da silicone e attirano a sé molti altri agenti patogeni.

L'umanità ha ancora bisogno di nanorobot? Per cosa sono veramente creati - solo gli iniziati lo sanno.

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