Второе поколение Нанотехнологии
Несмотря на универсальность, белок имеет недостатки как технический материал. Белковые машины перестают функционировать при высушивании, замерзают при охлаждении, и свариваются при нагревании. Мы не строим машины из плоти, волос и желатина; за более чем столетия, мы научились использовать свои руки из плоти и костей, чтобы строить машины из дерева, керамики, стали и пластмассы. Аналогично мы будем поступать в будущем. Мы будем использовать протеиновые машины, чтобы строить наномашины из более прочного вещества, чем белки.
Как только нанотехнология двинется дальше использования белков, она будет становиться более обычной с точки зрения инженера. Молекулы будут собираться подобно компонентам набора монтажника, а хорошо связанные части будут оставаться на своих местах. Также как обычные инструменты строят обычные машины из частей, также молекулярные инструменты будут связывать молекулы так, чтобы образовывать крошечные двигатели, моторы, рычаги, обшивки, и собирать их в сложные машины.
Части, содержащие только несколько атомов будут бугристыми, но инженеры могут работать с бугристыми частями, если они имеют гладкие подпорки, их поддерживающие. Достаточно удобно, некоторые связи между атомами делают прекрасные подпорки; часть может быть установлена посредством единственной химической связи, которая будет позволять поворачивать её свободно и плавно. Так как подпорка может быть сделана с использованием только двух атомов (и поскольку для движущихся частей нужно лишь в несколько атомов), наномашины могут на самом деле иметь механические компоненты размера молекулы.
Как эти усовершенствованные машины будут построены? За эти годы, инженеры использовали технологию, чтобы улучшить технологию. Они использовали металлические инструменты, чтобы оформлять металл в лучшие инструменты, и компьютеры, чтобы проектировать и программировать лучшие компьютеры. Они будут аналогично использовать белковые наномашины, чтобы строить лучшие наномашины. Ферменты указывают путь: они собирают большие молекулы, «выхватывая» маленькие молекулы из воды, в которой они находятся, и удержания их вместе так, что образуются связи. Ферменты собирают ДНК, РНК, белки, жиры, гормоны и хлорофилл этим способом – на самом деле, практически весь спектр молекул, обнаруживаемых в живых организмах.
Далее инженеры-биохимики будут строить новые ферменты, чтобы собрать новые структуры атомов. Например, они могли бы делать ферменто-подобную машину, которая будет присоединять углеродистые атомы к маленькому пятнышку, слой на слой. Будучи правильно связаны, атомы будут наращиваться и формировать прекрасное, гибкое алмазное волокно, более пятидесяти раз более прочное, чем алюминий того же веса. Аэрокосмические компании будут выстраиваться в очередь, чтобы покупать такое волокно тоннами, чтобы делать детали с улучшенными характеристиками. (это показывает только одну маленькую причину, почему конкуренция в военной сфере будет двигать молекулярную технологию вперёд, как она двигала многие сферы в прошлом.)
Но действительно большим прогрессом будет, когда белковые машины будут способны делать структуры более сложные, чем простые волокна. Эти программируемые белковые машины будут походить на рибосомы, программируемые РНК, или старое поколение автоматизированных станков, программируемое перфорированными лентами. Они откроют новый мир возможностей, позволяя инженерам избежать ограничения белков для построения прочных компактных машин прямым проектированием.
Проектируемые белки будут расщеплять и соединять молекулы, как это делают ферменты. Существующие белки связывают множество меньших молекул, используя их как химические инструменты; заново проектируемые белки будут использовать все эти инструменты и более того.
Далее, органические химики показали, что химические реакции могут производить замечательные результаты даже без наномашин, чтобы расставлять молекулы по нужным местам. Химики не имеют никакого прямого контроля над кувыркающимися движениями молекул в жидкости, поэтому молекулы свободны реагировать любым образом, которым они могут, в зависимости от того, как они сталкиваются. Однако химики тем не менее добиваются, чтобы реагирующие молекулы образовывали правильные структуры, такие как кубические или двенадцатигранные молекулы, и образовывать структуры, выглядящие невероятно, такие как молекулярные кольца с высоконапряжёнными связями. Молекулярные машины будут иметь ещё большую неустойчивость в образовании связей, потому что они могут использовать подобные молекулярные движения для образования связей, но они могут выполнять эти движения такими способами, какими не могут химики.
Действительно, поскольку химики ещё не могут направить молекулярные движения, они редко способны собирать сложные молекулы в соответствии с определёнными планами. Все самые большие молекулы, которые они могут делать с определенными, сложными структурами – это линейные цепи. Химики формируют эти структуры (как в механизмах гена), добавляя молекулы по одной в последовательности к растущей цепи. Только с одним возможным участком связывания в цепи, они могут быть уверены, что добавили следующую часть в правильном месте.
Но если округленная, бугристая молекула имеет, скажем, сотню водородных атомов на своей поверхности, как химики могут отколоть только один специфический атом (5 атомов вверх и 3 атома по диагонали спереди на выпуклости), чтобы добавить что-либо на его место? Смешивание вместе простых химикалий редко сделает эту работу, поскольку маленькие молекулы редко могут выбрать специфические места, с которыми надо реагировать в больших молекулах. Но протеиновые машины будут более избирательными.
Гибкая, программируемая белковая машина схватит большую молекулу (объект работы), в то время как маленькая молекула будет установлена именно напротив правильного места. Подобно ферменту, она тогда она свяжет молекулы вместе. Привязывая молекулу за молекулой к собираемому куску, машина будет собирать всё большую и большую структуру, в то время как будет сохраняться полный контроль за тем, как его атомы упорядочены. Это есть ключевое умение, которым не обладают химики.
Подобно рибосомам, такой наномашины могут работать под управлением молекулярных лент. В отличие от рибосом они будут иметь дело с широким разнообразием маленьких молекул (не только аминокислот) и присоединять их к собираемому объекту не только в конце цепи, но и в любом желаемом месте. Белковые машины таким образом объединят расщепляющие и склеивающие способности ферментов с возможностью программирования рибосом. Но в то время как рибосомы могут строить только неплотные сладки белка, эти белковые машины будут строить маленькие, твердых объекты из металла, керамики или алмаза – невидимо маленькие, но прочные.
Где наши пальцы из плоти подвержены ушибам или ожогам, мы обращаемся к стальным клещам. Где белковые машины, вероятно, могут быть разрушены или распадутся, мы обратимся к наномашинам, сделанным из более жесткого материала.
Универсальные ассемблеры
Это второе поколение наномашин, построенное из чего-то большего чем только белков, будет делать все, что могут делать белки, но и более того. В частности некоторые будут служить как усовершенствованные устройства для сборки молекулярных структур. Устойчивые к кислоте или вакууму, замораживанию или нагреву, в зависимости от цели использования, ферменто-подобные машины второго поколения будут способны использовать в качестве «инструментов» почти любую из молекул, используемых химиками в реакциях, но они будут с ними обращаться с точностью программируемых машин. Они будут способны связать атомы для получения практически любой устойчивой структуры, добавляя понемногу за раз к поверхности рабочего куска до тех пор, пока сложная структура не будет завершена. Думайте о наномашинах как об ассемблерах.
Поскольку ассемблеры позволят нам размещать атомы почти любым разумным образом (как – это обсуждается в Примечаниях), они позволят нам строить почти всё что угодно, чему законы природы позволяют существовать. В частности они позволят нам строить почти всё что угодно, что мы можем разработать, включая новые ассемблеры. Последствия этого будут глубокими, потому что наши грубые инструменты позволяют нам исследовать только малую часть всего спектра возможностей, которые позволяет природа. Ассемблеры откроют мир новых технологий.
Успехи в медицинских, космических, вычислительных, военных технологиях – все они зависят от нашей способности упорядочивать атомы. С ассемблерами, мы будем способны повторно переделать наш мир или уничтожить его. Так в этом пункте кажется мудрым отступить назад и посмотреть настолько ясно, насколько это возможно, чтобы мы могли убедиться, что ассемблеры и нанотехнология не просто футурологический мираж.
Какие будут выводы?
Во всем, что я описал, я в большой мере основывался на доказанных фактах химии и молекулярной биологии. Однако, люди регулярно поднимают некоторые вопросы, уходящие корнями в физику и биологию. Эти вопросы заслуживают более прямых ответов.
Не сделает ли принцип неопределённости квантовой физики молекулярные машины неосуществимыми?
Это принципиальное утверждение (среди других), что не может быть определено точное местоположение частицы в течение любого отрезка времени. Это ограничивает то, что молекулярные машины могут делать, также, как это ограничивает то, что может делать что угодно еще. Тем не менее, вычисления показывают что принцип неопределённости накладывает мало существенных ограничений на то, насколько хорошо атомы могут помещаться на какое-то место, по крайней мере для тех целей, которые обрисовываются здесь. Принцип неопределённости делает местоположение электронов довольно расплывчатым, и в действительности эта расплывчатость определяет сам размер и структуру атомов. Атом как целое, однако, имеет сравнительно определённое местоположение, установленное своему относительно массивному ядру. Если бы атомы не сохраняли своё положение сравнительно хорошо, молекулы бы не существовали. Квантовой механики не требуется, чтобы доверять этим заключениям, поскольку молекулярные машины в клетке демонстрируют, что молекулярные машины работают.
Не сделают ли тепловые вибрации молекул молекулярные машины неработоспособными или слишком ненадёжными, чтобы их использовать?
Тепловые колебания причинят большие проблемы чем принцип неуверенности, однако здесь снова существующие молекулярные машины непосредственно демонстрируют, что молекулярные машины могут работать при обычных температурах. Несмотря на тепловые колебания, механизмы копирования ДНК в некоторых клетках делают меньше чем одну ошибку на 100 000 000 000 операций. Чтобы достичь такой точности, однако, клетки используют машины (такие как фермент ДНК-полимераза I), которая проверяет копию и исправляет ошибки. Для ассемблеров вполне может быть необходима аналогичные способности проверки и исправления ошибок, если они предназначены выдавать надёжные результаты.
Не будет ли радиация разрушать молекулярные машины или делать их непригодными для использования?
Радиация высокой энергии может нарушать химические связи и разрушать молекулярные машины. Живые клетки еще раз показывают, что решения существуют: они работают в течение лет, восстанавливая и заменяя поврежденные радиацией части. Однако поскольку каждая отдельная машина такая крошечная, она представляет собой маленькую цель для радиации и радиация редко в неё попадает. Всё же, если система наномашин должна быть надёжна, то она должна выдерживать определённое количество повреждений, а повреждённые части должны регулярно чиниться или заменяться. Этот подход к надёжности хорошо знаком разработчикам самолётов и космических кораблей.
Эволюция не сумела произвести ассемблеры, не говорит ли это о том, что они являются либо невозможными, либо бесполезными?
Отвечая на предыдущие вопросы, мы отчасти ссылались на уже работающие молекулярные машины клеток. Они представляют собой простое и мощное доказательство, что законы природы позволяют маленьким группам атомов вести себя как управляемым машинам, способным строить другие наномашины. Однако вопреки тому, что они в основе напоминают рибосомы, ассемблеры будут отличаться от всего, что находится в клетках; хотя они состоят в обычных движениях молекул и реакциях, то, что они делают, будет иметь новые результаты. Например, ни одна клетка не производит алмазного волокна.
Мысль, что новые виды наномашин дадут новые полезные способности, может казаться потрясающей: за все миллиарды лет развития жизнь в основе всегда полагалась только на белковые машины. Но говорит ли это о том, что усовершенствования были невозможны? Эволюция идёт небольшими изменениями, и эволюция ДНК не может легко заменить ДНК. Так как система ДНК-РНК-рибосома специализирована для построения белков, жизнь не имела никакой реальной возможности развить альтернативный вариант. Любой производственный менеджер хорошо может оценить причины этого; жизнь – больше чем фабрика, она не может себе позволить прекратить деятельность, чтобы заменить свои системы на новые.
Улучшенные молекулярные машины должны нас удивлять не больше, чем сплав стали, который в десять раз прочнее кости, или медные провода, передающие сигналы в миллион раз быстрее нервов. Автомобили обгоняют гепардов, реактивные самолеты летают быстрее соколов, и компьютеры уже считают быстрее самых талантливых из людей. Будущее даст новые примеры улучшений в биологической эволюции, из которых второе поколение наномашин будет лишь одним.
В физических терминах, достаточно ясно, почему усовершенствованные ассемблеры будут способны делать больше чем существующие белковые машины. Они будут программироваться подобно рибосомам, но они будут способны использовать более широкий диапазон инструментов чем все ферменты в клетке вместе взятые. Поскольку они будут сделаны из материалов намного более прочных, твёрдых и устойчивых, чем белки, они будут способны развивать большие мощности, двигаться с большей точностью, и выносить более суровые условия. Подобно промышленным манипуляторам, но в отличие от чего-либо в живой клетке, они будут способны вращаться и двигать молекулы в трёх измерениях под программным управлением, делая возможным точную сборку сложных объектов. Эти преимущества будут давать им возможность собирать намного более широкий спектр молекулярных структур, чем это делали живые клетки.
Не имеет ли жизнь в себе нечто особое сверхъестественное, без чего молекулярные машины не будут работать?
Можно было бы сомневаться, что искусственные наномашины могли бы даже приблизиться к способностям наномашин в клетке, если бы была причина думать, что в клетках есть нечто сверхъестественное, что заставляет их работать. Эта идея называется «витализм». Биологи отказались от неё потому что они нашли химические и физические объяснения для каждого уже изученного аспекта живой клетки, включая движение, рост и воспроизводство. Действительно, это знание является самой основой биотехнологии.
Наномашины, плавающие в стерильных испытательных пробирках вне клеток, заставили выполнять все основные виды действий, которые они выполняют внутри живых клеток. Начиная с химических веществ, которые могут быть получены из дыма, биохимики построили работающие белковые машины без помощи клеток. Р.Б. Меррифилд, например, использовал химические приёмы для сборки простых аминокислот в рибонуклеазу поджелудочной железы бычка, комплекс ферментов, который разбирает на части молекулы РНК. Жизнь специфична по структуре, по поведению, а также по тому, что она чувствует изнутри по поводу того, что она жива, но законы природы, которые управляют механизмами жизни, также управляют всей остальной вселенной.
Доказательства реализуемости ассемблеров и других наномашин могут казаться обоснованным, но почему бы просто не подождать и не посмотреть, действительно ли они могут быть разработаны?
Чистое любопытство кажется причиной, достаточной, чтобы исследовать возможности, открытые нанотехнологией, но есть более сильные причины. Эти достижения охватят мир в пределах от десяти до пятидесяти лет, то есть в пределах сроков жизни наших собственных или членов наших семей. Что более существенно, заключения следующей главы подсказывают, что политика «подождём-посмотрим» была бы слишком дорогой: она бы стоила миллионы жизней, и, возможно, конец жизни на Земле.
Является ли доказательство реализуемости нанотехнологии и ассемблеров достаточно обоснованными, чтобы быть принятыми серьезно? По-видимому это так, поскольку суть доказательства опирается на два известных факта науки и конструирования. Они следующие: (1) что существующие молекулярные машины служат целому ряду простых функций, и (2) что части, служащие этим простым функциям, могут быть скомбинированы так, чтобы строить сложные машины. Поскольку химические реакции могут связывать атомы различным образом, и поскольку молекулярные машины могут направлять химические реакции в соответствии с программными инструкциями, ассемблеры определённо реализуемы.
Нанокомпьютеры
Ассемблеры принесут одно крупное достижение очевидной и фундаментальной важности: инженеры будут их использовать, чтобы сократить размер и стоимость микросхем компьютера и ускорить их функционирование на много порядков.
С сегодняшней балк-технологией инженеры делают схемы на кремниевых чипах, обстреливая их атомами и фотонами, но схемы остаются плоскими и неизбежны дефекты молекулярного масштаба. С ассемблерами, однако, инженеры будут строить схемы в трёх измерениях и строить с точностью до атома. Точные ограничения электронной технологии сегодня остаются неопределёнными, поскольку квантовое поведение электронов в сложных сетях крошечных структур представляет собой сложные проблемы, некоторые из них проистекают напрямую из принципа неопределённости. Но где бы ни были ограничения, однако, они будут достигнуты с помощью ассемблеров.
Самые быстрые компьютеры будут использовать электронные эффекты, но самые маленькие могут не использовать. Это может казаться странным, однако сущность вычисления не имеет никакого отношения к электронике. Цифровой компьютер – собрание выключателей, способных включать и выключать друг друга. Его переключатели начинают в одном положении (возможно, представляющем собой 2+2), далее переключают друг друга в новое положение (представляющем собой 4), и т. д. Такие схемы могут отображать почти всё что угодно. Инженеры строят компьютеры из крошечных электронных переключателей, связанных проводами просто потому что механические переключатели, связанные палочками или ниточками были бы сегодня большими, медленными, ненадёжными и дорогими.
Идея относительно полностью механического компьютера вряд ли нова. В Англии в течение середины 1800-х, Чарльз Баббаг изобрел механический компьютер, построенный из медных механических частей; его сотрудница Августа Ада, графиня лавеласов, изобрела программирование компьютера. Бесконечное перепроектирование машины Баббагом, проблемы с правильным изготовлением, противодействие критиков, контролирующих бюджет (некоторые сомневались в самой полезности компьютеров!), объединились, чтобы воспрепятствовать завершению проекта.
В этой же традиции Дэнни Хиллис и Брайен Силверман лаборатории Искусственного интеллекта Массачусетского Технологического института построили специализированный механический компьютер, умеющий играть крестики-нолики. Длиной и шириной в несколько метров, полный вращающихся валов и подвижных рамок, который представляли состояние доски и стратегию игры, он сейчас стоит в Музее компьютеров в Бостоне. Он выглядит во многом подобно большой молекулярной модели из шариков и палочек, поскольку он построен из конструктора Тинкертой.
Медные механизмы и конструктор Тинкертой способствуют появлению больших, медленных компьютеров. Однако с компонентами шириной в несколько атомов, простой механический компьютер поместился бы в 1/100 кубического микрона, т. е. оказался бы во много миллиардов раз более компактным, чем сегодняшняя так называемая микроэлектроника. Даже с миллиардом байт памяти наномеханический компьютер мог бы поместиться в коробочку шириной один микрон, т. е. размером с бактерию. И был бы же он быстрым! Хотя механические сигналы движутся около 100 000 раз медленнее чем электрические сигналы в сегодняшних машинах, им бы требовалось проходить лишь 1/1 000 000 расстояния, поэтому задержка оказалась бы меньше. Поэтому простой механический компьютер будет работать быстрее чем супербыстрые электронные сегодня.
Электронные нанокомпьютеры вероятно будут в тысячи раз быстрее чем электронные микрокомпьютеры, возможно, в сотни тысяч раз быстрее, если схема, предложенная Нобелевским лауреатом, физиком Ричардом Фейнманом себя оправдает. Увеличенная скорость путём уменьшения размера – это старая история в электронике.
Дизассемблеры
Молекулярные компьютеры будут управлять молекулярными ассемблерами, обеспечивая быстрый поток инструкций, необходимых, чтобы направить размещение крупных совокупностей атомов. Нанокомпьютеры с молекулярными устройствами памяти будут также хранить данные, произведенные процессом, который является противоположным сборке.
Ассемблеры помогут инженерам синтезировать вещи; их родственники, дизассемблеры, помогут ученым, и инженерам анализировать вещи. Что касается ассемблеров, они опираются на способность ферментов и химических реакций формировать связи, и способность машин управлять процессом. Дизассемблеры же опираются на способность ферментов и химических реакций разрушать связи, и машин – управлять процессом. Ферменты, кислоты, окислители, металлы, щелочи, ионы и реагирующие группы атомов, называемых свободными радикалы – все могут разрушать связи и удалять группы атомов. Поскольку нет ничего, что было бы абсолютно невосприимчивым к коррозии, по-видимому, молекулярные инструменты будут способны что-либо разбирать, по нескольким атомам за раз. Что более существенно, наномашина могла бы (в случае необходимости и подходящего случая) также применять и механические силы, в результате освобождая группы атомов.
Наномашина, способная это делать, записывая, что она удаляет слой за слоем, – это дизассемблер. Ассемблеры, дизассемблеры, и нанокомпьютеры будут работать вместе. Например, нанокомпьютерная система будет способна направить разборку объекта, записать его структуру, и потом управлять сборкой идеальной копии. И всё это – ещё только некоторые намёки реальной мощи нанотехнологии.
Обновлённый мир
Пройдут годы, пока появятся ассемблеры, но их появление кажется почти неизбежным: хотя путь к ассемблерам имеет много шагов, каждый шаг сделает следующий досягаемым, и каждый принесет непосредственный выигрыш. Первые шаги под названием "генная инженерия" и «биотехнология» уже предприняты. Кажутся возможными и другие пути к получению ассемблеров. Исключая разрушение мира или мировое господство, гонка технологий будет продолжаться вне зависимости, хотим мы этого или нет. И по мере того, как успехи в проектировании с помощью ЭВМ ускоряют развитие молекулярных инструментов, продвижение к ассемблерам будет ускоряться.
Чтобы иметь хоть какую-то надежду понять наше будущее, мы должны понять последствия ассемблеров, дизассемблеров, и нанокомпьютеров. Они обещают влечь изменения, столь же глубокие, как индустриальная революция, антибиотики, и ядерные оружие, соединённые в один огромный прорыв. Чтобы понять будущее таких глубоких изменений, имеет смысл поискать принципы изменения, которые пережили величайшие изменения прошлого. Они окажутся полезным руководством.
Глава 2. ПРИНЦИПЫ ИЗМЕНЕНИЙ
Вы можете представить себе процесс проектирования как, во-первых, генерирование альтернатив, а затем испытание этих альтернатив против целого ряда требований и ограничений.
ГЕРБЕРТ А. САЙМОН
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АССЕМБЛЕРЫ сделают такую революцию, какой не было со времён появления рибосом, примитивных ассемблеров в клетке. Получающаяся в результате нанотехнология может помочь распространению жизни вне Земли – шаг, не имеющий аналогов, начиная с распространения жизни вне морей. Это может помочь машинам обрести разум – шаг, не имеющий параллелей, с тех пор как разум появился в приматах. И это может позволять нашим умам обновлять и переделывать наши тела – шаг вообще не имеющий аналогов.
Эти революции принесут опасности и возможности, слишком обширные, чтобы их могло вместить человеческое воображение. Все же принципы изменения, которые выполнялись для молекул, клеток, животных, разума, и машинам, должны продолжать деятельность даже в век биотехнологии, наномашин и искусственного разума. Те же самые принципы, которые приложимы в море, на земле и в воздухе, должны сохраняться, когда мы будем распространять жизнь Земли к звездам. Понимание сохраняющихся принципов изменения поможет нам понять потенциал для хорошего и плохого в новых технологиях.
Порядок из хаоса
Порядок может появляться из хаоса без чьих-либо распоряжений: хорошо организованные кристаллы конденсировались из бесформенного межзвездного газа намного раньше Солнца, Земли, или появления жизни. Из хаоса также появляется кристаллический порядок и при более знакомых обстоятельствах. Вообразите молекулу, возможно правильную по форме, а, возможно, неравномерную и узловатую как корень имбири. Теперь вообразите большое число таких молекул, перемещающихся беспорядочно в жидкости, переворачиваясь и толкаясь как алкоголики в невесомости и темноте. Вообразите испаряющуюся и охлаждающуюся жидкость, что заставляет молекулы быть ближе друг к другу и замеляя их движения. Будут ли эти беспорядочно перемещающиеся, молекулы странной формы просто собираться в беспорядочных «кучах»? В общем случае – нет. Обычно они будут устанавливаться в кристаллическую структуру, каждый аккуратно устраиваясь напротив своих соседей, формируя строки и столбцы, такие же совершенные, как шахматная доска, хотя часто более сложные.
Этот процесс не включает ни волшебство, ни какие-то специальные свойства молекул и квантово-механических сил. Это даже не требует специальных соответствующих друг другу форм, которые позволяют молекулам белка самостоятельно собираться в машины. Если положить мраморные шарики одинакового размера на поднос и встряхнуть, также выпадают в правильные рисунки.
Кристаллы растут путём проб и удалением ошибок, путём варьирования и селекции. Никакие крошечные руки их не собирают. Кристалл может начинаться со случая молекул, собирающихся в группу: молекулы блуждают, сталкиваются, и собираются в группы случайным образом, но группа держится вместе лучше всего когда она упакована в правильную кристаллическую структуру. Далее в первоначальный маленький кристалл ударяются другие молекулы. Некоторые тыкаются в неправильные места или с неправильной ориентацией; они плохо прилипают и от колебаний вновь отваливаются. Другие по случаю попадают нужным образом; они лучше прилипают и часто остаются. Слой строится на слое, расширяя кристаллическую структуру. Хотя молекулы сталкиваются случайным образом, они не прилипают случайно. Порядок растёт из хаоса путём варьирования и селекции.
Эволюционирующие молекулы
В росте кристаллов, каждый слой образует шаблон для следующего. Однородные слои накапливаются и формируют твердый блок.
В клетках нити ДНК или РНК также могут служить в качестве шаблонов при помощи ферментов, которые действуют как молекулярные копировальные машины. Но элементы, из которых строятся нити нуклеиновых кислот, могут быть устроены во многих различных последовательностях, и нить шаблона может отделиться от копии. И нить, и её копия могут далее снова быть скопированы. Биохимик Сол Спиджельман использовал копировальные машины (белки из вируса) для экспериментов в испытательной пробирке. Говоря просто, безжизненная среда дуплицирует молекулы РНК.
Представьте себе нить РНК, плавающую в испытательной пробирке вместе с копировальными машинами и элементами РНК. Нить кувыркается и изгибается, пока она не наталкивается на копировальную машину в правильном положении, чтобы слипнуться. Элементы толкутся вокруг, пока один нужного вида не встретит копировальную машину в правильном положении, которая соответствует нити шаблона. Как только соответствующие элементы ухитряются попасть в нужное положение, машина захватывает их и привязывает их к растущей копии; хотя элементы сталкиваются случайным образом, машина связывает выборочно. В конце концов машина, шаблон и копия разъединяются.
В терминологии зоолога Ричарда Давкинса из Оксфорда, объекты, которые делают копии себя, называются репликаторами. В этой окружающей среде молекулы РНК подходят под определение: единственная молекула скоро превращается в две, потом четыре, восемь, шестнадцать, тридцать две, и так далее, умножаясь экспоненциально. Далее скорость репликации снижается: постоянный запас белковых машин может производить копии только с какой-то скоростьюРНК, независимо от того, сколько молекул шаблона соперничают друг с другом для их услуг. Ещё позже сырья для созданияРНК молекулы становится недостаточно, и репликация задерживается вплоть до остановки. Быстро растущее число молекул достигает предела росту и останавливает репродуцирование.
Копировальные машины, однако, часто копируют неправильно нить РНК, вставляя, удаляя, или неправильно сопоставив элемент нити. Получающаяся в результате нить с мутациями тогда отличается по последовательности элементов или длине. Такие изменения довольно случайны, и изменения накапливаются по мере того как скопированные с ошибкой молекулы снова копируются с ошибкой. По мере того как молекулы размножаются, они начинают отличаться от своих предшественников и друг от друга. Это может выглядеть как рецепт, приводящий к хаосу.
Биохимики нашли, что различающиеся молекулы РНК копируются с разными скоростями, в зависимости от их длин и структуры элементов. Потомки более быстрых репликаторов естественно становятся более распространёнными. Действительно, если один вид копируется только на 10 процентов быстрее чем его собратья, то после одной сотни поколений, каждый из более быстрого вида даст в 1000 раз большее число потомков. Малые различия в экспоненциальном росте накапливаются экспоненциально.
Когда в испытательной пробирке заканчиваются элементы, экспериментатор может взять пробу его РНК и «заразить» новую пробирку. Процесс начинается снова и молекулы, которые доминировали в первом раунде соревнования начинаются с некоторой форой. Появляются маленькие изменения, по прошествии времени вырастая в большие. Некоторые молекулы размножаются быстрее, и их вид доминирует в смеси. Когда ресурсы исчерпываются, экспериментатор может взять пробу РНК и начать снова (и снова, и снова), сохраняя условия стабильными.
Этот эксперимент показывает естественный процесс: независимо от того, с какой последовательности РНК начинает экспериментатор, кажущийся хаос случайных ошибок и копирование с систематическими ошибками выдвигает вперёд один вид молекул РНК (плюс-минус некоторые ошибки копирования). Его типичная версия имеет известную, четкую последовательность 220 элементов. Это – лучший РНК репликатор в этой среде, так что он перенаселяет другие и остаётся.
Копирование, растянутое во времени, копирование с ошибками и конкуренция всегда дают те же самые результат, независимо от длины или структуры молекулы РНК, с которой начинается процесс. Хотя никто не мог бы предсказать, какая структура выиграет, каждый может видеть, что изменение и конкуренция будут иметь тенденцию выдвигать единственного победителя. В такой простой системе могло бы произойти кое-что ещё. Если эти репликаторы сильно воздействуют друг на друга (возможно, путём выборочных атак или помощи друг другу), то результаты могли бы напоминать более сложную экологию. Но как есть, они просто конкурируют за ресурсы.
Варьирование деталей в этом примере показывает нам кое-что еще: молекулы РНК приспосабливаются по-разному к различным окружающим средам. Молекулярная машина, называемая рибонуклеазой захватывает молекулы РНК, имеющие определённые последовательности элементов, находящихся на поверхности, и режет их пополам. Но молекулы РНК, подобно белкам, сворачиваются в структуры в зависимости от их последовательности, и путём сворачивания нужным образом они могут защищать свои уязвимые места. Экспериментаторы находят, что молекулы РНК развивают в процессе эволюции способность жертвовать быстрым размножением в пользу лучшей защиты, когда вокруг находится рибонуклеаза. Опять же, конкуренция способствует возникновению лучшего.
Заметьте, что в это описание вкрались термины из биологии: так как молекулы копируются, слово «поколение» выглядит правильным; молекулы «происходящие» от общего «предка» – «родственники», а слова «рост», "размножение", «мутация» и «конкуренция» также выглядят подходящими. Почему так? Потому что эти молекулы копируют себя с небольшими изменениями, также как это делают гены живых организмов. Когда различные репликаторы имеют различный успех, наиболее успешные имеют тенденцию накапливаться. Этот процесс, где бы он ни происходил, есть "эволюция".
В этом примере испытательной пробирки мы можем наблюдать эволюцию, раздетую до своих наиболее важных сущностных моментов, и освобождённую от противоречий, окружающих эволюцию жизни. Репликаторы РНК и белковые копировальные машины – это хорошо определённые наборы атомов, подчиняющихся хорошо понимаемым принципам и эволюционирующих в воспроизводимых лабораторных условиях. Биохимики могут делать РНК и белки из химических веществ, взятых "с полки", без помощи жизни.
Биохимики заимствуют эти копировальные машины от какого-либо вида вируса, который инфицирует бактерии и использует РНК как генетический материал. Эти вирусы выживают, входя в бактерию, получая свои копии путём использования её ресурсов, и затем выходя наружу, чтобы инфицировать новый бактерии. Копирование вирусной РНК с ошибками производит вирусы с мутациями, и вирусы, которые копируют себя более успешно, становятся более распространёнными; это – эволюция естественным отбором, очевидно названная «естественной» потому что она включает части природы, не относящиеся к человеку. Но в отличие от РНК из испытательной пробирки, вирусные РНК должны делать нечто большее, чем просто скопировать себя как просто молекулы. Успешные вирусные РНК должны также направлять бактериальные рибосомы для построения белковых устройств, которые, во-первых, позволяют им выбираться из старых бактерий, потом выживать снаружи, и в конце концов входить в новые бактерии. Эта дополнительная информация делает молекулы вирусных РНК длинной около 4500 элементов.
Чтобы копироваться успешно, ДНК больших организмов должны делать даже больше, направляя строительство десятков тысяч различных белковых машин и развитие сложных тканей и органов. Это требует тысяч генов, закодированных в миллионах или даже миллиардах элементов ДНК. Тем не менее принципиально процесс эволюции путём вариации и селекции сохраняется тем же самым и в испытательной пробирке, и в вирусах, и во многих других случаях.
Объяснение порядка
Имеется по крайней мере три способа объяснить структуру населения молекулярных репликаторов, появившуюся в ходе эволюции, будь то РНК испытательной пробирки, вирусные гены, или челов