Безопасные нанотехнологии

Многие думают, что нанотехнологии - очередной ящик Пандоры, таящий в себе катастрофы. Но почти любая технология несет в себе потенциальную угрозу, остановить же развитие востребованной технологии практически невозможно.

Читатель вправе спросить: зачем развивать технологии, от которых обязательно надо защищаться? Но почти любая технология несет в себе потенциальную угрозу. Будь то паровые машины, солнечные электростанции или ядерные бомбы. И предотвратить развитие какой-либо технологии, пользующейся спросом на мировом рынке, практически невозможно. Многие думают, что нанотехнологии - очередной ящик Пандоры, открыв который, мы не сможем предотвратить техногенной катастрофы.

Возможные опасности можно разделить на следующие классы:

• Угроза от новых лекарств, улучшенных с помощью нанотехнологий.
• Угроза от новых материалов, улучшенных с помощью нанотехнологий.
• Угроза от нанороботов и репликаторов.
• Угроза от использования нанооружия террористами.

В ближайшем будущем (через пять-шесть лет) нанотехнологии, скорее всего, не принесут ни мировых катастроф, ни массовых эпидемий. Но некоторые опасности все-таки остаются.

Главная из них связана с появлением на мировом рынке новых материалов, улучшенных с применением нанотехнологий. К примеру, с конца 2003 года в продаже появились джинсы фирмы NanoTex (совместно с компанией Lee Jeans), которые трудно испачкать и намочить, а если это и удалось, то снять загрязнение очень просто. Чудесные свойства ткани придают специально разработанные наночастицы Nano-Pel. Конечно, продукция прошла все необходимые испытания, но все же могут найтись люди с аллергией на эти наночастицы.

Гибкие мониторы, которые можно будет встраивать в одежду и предметы быта, тоже могут негативно влиять на человеческий организм. Некоторые компании собираются даже заменять такими мониторами традиционные обои в квартирах. Существует несколько различных типов гибких мониторов: FOLED, нанотрубочные мониторы на органической основе, мониторы на основе квантовых точек. Из перечисленных, только FOLED может выйти на рынок около 2005–06 года (компания Universal Display). Разработка гибких мониторов на нанотрубках и квантовых точках займет больше времени. Сейчас готовы прототипы гибких нанотрубочных аппаратов от компаний Kopin и Nanosys. На рынке они появятся не ранее 2007 года. Как подействует на человеческий организм слабое электромагнитное излучение мониторов, встроенных в одежду, - неизвестно.

Меньше всего следует опасаться лекарств, улучшенных с помощью нанотехнологий. Их влияние на организм человека тщательно проверяется Всемирной организацией здравоохранения. Клинические тесты и проверки новых препаратов становятся все более длительными. Отчасти в этом повинен недавно обнаруженный токсичный эффект фуллеренов.

Долгое время молекулы фуллеренов считались идеальным средством для доставки лекарств непосредственно к больным клеткам. Для этого фуллерен надо заполнить лекарством, а его поверхность покрыть белковыми маркерами клеток-мишеней. У раковых клеток такие маркеры уже исследованы (CD 95, CD 98). Чтобы, на всякий случай, определить токсичность молекул-повозок, исследователи, возглавляемые Евой Обердёрстер (Eva Oberdцrster), биологом из Южного методистского университета в Далласе, для начала испытали их на дафниях (водяных блохах), добавив фуллерены в десятилитровые резервуары с этими маленькими ракообразными. По прошествии 48 часов биологи заглянули к дафниям и обнаружили, что особей дафний в аквариуме стало меньше.

Исследователи вычислили, что при концентрации молекул 800 частей на миллиард умирает половина водяных блох. А когда ученые заменили дафний окунями и повторили опыт, у рыб обнаружилось серьезное повреждение мембран мозговых клеток. Ущерб был больше в семнадцать раз по сравнению с рыбами, плавающими в обычной воде. Также выяснилось, что окуни, подвергнутые воздействию фуллерена C60, в качестве иммунного ответа на воздействие наночастиц включили кое-какие гены - пытались отбиться от инородных материалов.

Выявленный эффект делает фуллерены "умеренным ядом": они немного более ядовиты, чем никель, но все же не так опасны, как химикалии типа бензапирена, который содержится в сигаретном дыме и автомобильных выхлопах. Однако покрытие фуллеренов простыми молекулами может предотвратить разрушительное воздействие C60. Возможно также, что при нанесении на фуллерены специальных меток их токсичность снизится.

Конечно же, не все наноматериалы обладают вредными для живых существ свойствами. Их "поведение" зависит не только от размера, но и от формы: являются ли они, к примеру, сферами или длинными трубками. В клеточной мембране существует ряд пор, через которые могут пройти молекулы определенной формы. Поэтому взаимодействие "клеточная пора - наночастица" будет определять степень поражения. К сожалению, в этой области пока ведется немного исследований.

Следует быть осторожным с современными имплантатами. Последствия их длительного ношения изучены еще недостаточно. Тем более что для лучшей адгезии имплантатов к живым тканям можно будет применять модифицированные "адаптивные" покрытия, изготовленные с помощью нанотехнологий и имеющие такую поверхность, на которой легко растут новые живые клетки. Подобная технология уже проверена на титановых протезах Томасом Вебстером (Thomas J. Webster) из университет Пэдью. Единственная опасность - без серии клинических тестов нельзя сказать, будут ли новые протезы вызывать размножение и раковых клеток.

В Конгрессе США компании-производители имплантатов (одна из них - Cheney’s Implant), а также FDA (Федеральная администрация по продуктам питания и медикаментам) с 2002 года лоббируют введение закона, позволяющего пациентам бесплатно носить имплантат в течение года. Таким образом компании "проверяют" свою продукцию на биосовместимость. Логичнее было бы проводить испытания в виде клинических тестов, но, видимо, это дорого.

Речь не идет о таких устройствах, как хранители ритма, сердечные клапаны, искусственные артерии. Они уже довольно долго используются в медицине, и их побочные эффекты известны. Возможно, опасными станут имплантаты нового века - подкожные бумажники и мобильные телефоны, встроенные в челюстные кости.

Многих волнует будущее нанотехнологий (десять-пятнадцать лет от сего года). Конечно, страшно оказаться на Земле, заполненной репликаторами.

Ученые уже сейчас работают над безопасными сценариями развития и внедрения нанотехнологий. Одна из будущих опасностей - неконтролируемое распространение репликаторов, называемое еще "серой слизью" (gray goo problem). Впервые это понятие ввел Эрик Дрекслер в своей книге "Машины Создания". Для решения проблемы Эрик Дрекслер предлагал сформировать из наноустройств активный щит, предохраняющий планету от репликаторов. Джон Марлоу, автор книги "Нано" (2002), пошел дальше и описал создание 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 планеты. Надо сказать, предложенный Марлоу вариант страшнее самой проблемы, так как суперчервь практически неуязвим.

На самом деле, как показали недавние исследования NASA, построить работоспособный репликатор можно, и конструктивно он будет не сложнее процессора Pentium 4.

Однако недавно Дрекслер выступил со следующим заявлением: "Неконтролируемые репликаторы, конечно, возможны с точки зрения инженерии и физики, но их нельзя произвести современными методами нанотехнологий. К тому же репликаторы не слишком важны для молекулярной нанотехнологии, и их разработка не входит в планы исследований нанотехнологов".

А вот что говорит Крис Феникс, директор исследований Центра надежных нанотехнологий (ЦНН): "Неконтролируемая репликация не будет несчастным случаем. Это будет тщательно разработанный механизм. Но, как и любой другой механизм, он может быть использован во вред".

Однако, как показали исследования Эрика Дрекслера, даже специально построить систему репликаторов, способных уничтожить Землю, невероятно трудно.

Вообще, самое простое решение проблемы репликаторов - изначальное разделение функций ассемблера и дизассемблера. Что может сделать робот-сборщик без строительного материала? Ничего. Вот и напрашивается один из выходов: для того чтобы наноустройства были контролируемыми, нужно делать их зависимыми. Даже неконтролируемый дизассемблер не может натворить много вреда, так как останется погребенным под разобранным материалом, а сделать свою копию он не сможет, поскольку умеет только "разбирать".

Крис Феникс предложил проект нанофабрики - сложного наноустройства, способного по заданной программе делать различные макрообъекты. При этом ее размеры таковы, что она легко уместится на рабочем столе. Понадобится только загрузить нужный информационный файл (поатомное описание производимой вещи) в фабрику или нарисовать нужный объект самому, используя программное обеспечение нанофабрики (по типу систем Auto CAD). Можно сделать даже копию нанофабрики! Это безопасное решение нанопроизводства. Такая фабрика нуждается в постоянном наличии атомов - сырья для работы. Как только ее хранилища опустеют, производство закончится. А подготавливать атомарное "сырье" можно на более простом устройстве. Классические репликаторы из "серой слизи" подвижны и используют для постройки своих копий неподготовленное сырье. Нанофабрика же представляет собой репликатор, работающий в изолированной среде.

Один из способов остановки нанофабрики в случае производства заведомо опасных продуктов состоит в том, что ее программное обеспечение будет содержать только уже проверенные безопасные схемы. Это можно представить следующим образом: где-то имеется центральная библиотека всех файлов для нанофабрик, тщательно контролируемая мировым сообществом. Нанофабрики связываются с ней, запрашивая продукт, указанный пользователем. Прием-передача информации криптографированы самыми совершенными методами. Пополнение библиотеки проводится специалистами под надзором консультативного совета мирового сообщества. Так можно максимально защитить нанопроизводство от использования его во вред человечеству.

К тому же в любое устройство (макро-, микро- и нано-) можно встроить защитный регулятор, уничтожающий устройство в случае отказа.

Уже сейчас во многие наноэлектронные устройства можно встроить защитные белковые регуляторы - прионы. Прионы - это обычные белки, которые располагаются на поверхности нервных клеток. В нормальном состоянии их молекулы скручены определенным образом. Под воздействием высоких температур или ультрафиолета молекула приона может внезапно изменить форму, раскрутиться и приобрести "неправильную" конфигурацию.

Более того, они влияют на другие белки того же типа, наделяя их теми же свойствами. Структурные свойства прионов обеспечивают их высокую стабильность и способность к самовоспроизведению. Американские нейробиологи из команды Сьюзен Линдквист (Susan Lindquist) недавно установили, что прионы способны самостоятельно соединяться в сверхтонкие и очень прочные нити. Извлеченные из генетически модифицированных дрожжей, эти белки образовывали волокна длиной до нескольких миллиметров и диаметром около ста нанометров. Сама по себе белковая нить - диэлектрик. Чтобы она проводила ток, ее покрывают тонким слоем золота. Оказалось, что такой проводник обладает гораздо меньшим сопротивлением, чем микропровода, используемые в современных интегральных микросхемах. К сожалению, традиционными способами получать подобные "проволочки" невозможно.

Прионные ограничители позволят управлять нанокомпьютерами и нанороботами, и в случае отказа этих устройств можно будет уничтожить все наноэлектронные цепи, задействовав прионные регуляторы с помощью ультрафиолетового или теплового излучения - подобно тому, как современные армии используют электромагнитный импульс для поражения электроники врага. Вот лишь один из вариантов защиты от выхода из строя наноэлектронных устройств.

Вы, наверное, слышали о том, что использование нанороботов в медицине может вызвать непредсказуемые последствия. Но это на самом деле не так. Ниже мы приведем несколько примеров надежных наномедицинских устройств.

Для начала кратко опишем наномедицинских роботов, спроектированных Робертом Фрайтасом (Robert Freitas).

Респироцит - искусственная красная кровяная клетка, способная переносить кислорода в несколько раз больше эритроцита. Микрофагоцит - медицинский наноробот, который будет отвечать за уничтожение микробиологических патогенов, найденных в организме человека.

Внешние поверхности многих медицинских нанороботов и нанокомплексов могут быть изготовлены из алмаза, поэтому биосовместимость алмазных и алмазоидных материалов представляет интерес для наномедицины.

Некоторым наномедицинским устройствам не требуются адгезивные покрытия (респироциты, например, находясь в крови человека, не будут присоединяться к клеточным поверхностям), однако другие устройства, требующие тесной интеграции в тканях тела, могут нуждаться в полной химико-биологической совместимости с ними. Добиться этого можно, используя биосовместимые поверхности со специально разработанной биоактивностью на клеточном уровне (микрофагоциты будут тесно контактировать с бактериями, вирусами, а также естественными фагоцитами человека).

Биосовместимость сравнительно грубой поверхности из алмаза была проверена экспериментально в связи с предложенным недавно алмазным покрытием ортопедических протезов (John Dearnaley, 1993).

Результаты исследований различных биоматериалов показали, что "объемные", цельные формации материала могут безболезненно восприниматься организмом, в то время как частицы того же материала порой вызывают образование раковых клеток. Различие в размерах частиц вызывает гистологическую реакцию (воспаление тканей).

Многие наномедицинские инструменты могут состоять из большого количества "алмазных частиц", то есть нанороботов микронного размера, поэтому изучение реакции на алмазные частицы со стороны различных клеток организма представляет особый интерес. Мы знаем, что измельченные углеродные частицы хорошо усваиваются телом - пассивное поведение углерода в тканях известно давно. Древесный уголь и копоть (сферические частицы диаметром 10–20 нм) использовались для татуировки с древнейших времен. Эксперименты по гистологической биосовместимости проводились на культурах клеток (Хиггсон и Джонс, 1982): нейтрофилов, моноцитов и макрофагов, фибробластов. Це (N. Tse) и Фелпс (Michael Phelps) в 1990-х провели исследования воспаления и гемолизиса от присутствия алмазных кристаллов с концентрацией 10 мг/куб. см. Все вышеуказанные исследования показали, что частицы алмаза совместимы с тканями и клетками.

Рассмотрим, что может "пойти не так" при лечении человека нанороботами.

Ошибка может произойти в неожиданных случаях. Биосовместимость человека с материалом, из которого изготовлены нанороботы, хорошо изучена Робертом Фрайтасом. Кроме того, Фрайтас изучал методы защиты нанороботов от воздействия иммунной системой человеческого организма.
Несколько взаимозаменяемых бортовых компьютеров робота разрешат проблему перепрограммирования, адаптации, сбоев даже после того, как он начнет работать внутри ткани. В заданиях с высокой степенью риска будут введены в действие усложненные протоколы работы, исключающие неправильное функционирование совокупности наномеханизмов.

Наиболее серьезные проблемы могут появляться при совместной работе триллиона механизмов в ограниченном пространстве в очень короткий промежуток времени. Одним из непредвиденных сбоев может быть взаимодействие между роботами при их столкновении. В настоящее время такие неисправности определить трудно, и, по всей видимости, они будут проверены при тестировании уже готовых роботов.

Простой пример подобной неисправности: взаимные действия двух типов нанороботов в одной ткани (для лечения нескольких разных заболеваний). Если наноробот типа А запрограммирован восстанавливать последствия работы наноробота В, то ткань, содержащая их обоих, подвергнется сначала воздействию наноробота В, а затем наноробот А удалит все результаты вмешательства наноробота В, что, в свою очередь, приведет к повторной работе наноробота В и так далее до бесконечности. То есть нанороботы будут "исправлять" работу друг друга.

Но даже в подобной ситуации контроль над роботами сохраняется. Лечащий врач, наблюдая процесс лечения, либо отключит один тип наноробота, либо перепрограммирует оба (пока они все еще внутри тела), чтобы их работа не вызывала деформацию тканей. Врач должен все время держать "руку на пульсе", дабы избежать подобных ситуаций. Вмешательство лечащего врача - основной регуляционный элемент в неожиданных неисправностях и проблемах, поэтому квалификация персонала играет первостепенную роль.

Как и в нашу эру, некомпетентность или халатность лечащего персонала - вот первостепенная опасность для пациента. Конечно, с быстродействием компьютеров нанороботов быстродействие мозга не сравнится. И при ошибке врача уже будет поздно что-либо предпринимать. Поэтому пациент будет подключен к системе диагностики, которая будет отслеживать состояние больного. Как только оно начнет ухудшаться, система диагностики даст машинам сигнал отключения. Врач сможет проанализировать причину ухудшения состояния пациента и найти ошибку в своих действиях.

Вообще, конструкторы уже пытаются обезопасить человека от будущих наномедицинских роботов. Так, спроектированный Робертом Фрайтасом респироцит конструктивно не сможет нанести вреда. Для забора кислорода от альвеолярных сосудов в легких используется взаимодействие молекулярного рецептора кислорода и нагнетающих роторов. То есть, находясь в альвеолярных сосудах, респироцит будет нагнетать во внутренние резервуары молекулы кислорода, а молекулы углекислоты - выпускать наружу. Как респироцит узнает, что он находится в легких? Очень просто - специальный сенсор окружения проанализирует парциальное давление газовой среды. Этими "встроенными функциями" наноробота врачебный персонал не управляет, ему доступны лишь простейшие функции - мониторинг газового транспорта внутри кровеносной системы, управление количеством отданного кислорода в кровь от легких, температурное картографирование и т. д.

При этом надо заметить, что медицинские нанороботы не будут нуждаться в репликации. По словам Роберт Фрайтаса, "ВОЗ или ее будущий эквивалент, никогда не разрешит использовать наноустройства, способные к репликации in vivo (то есть в живом организме). Даже вообразив себе самые неожиданные обстоятельства, никто не хотел бы иметь внутри собственного тела что-либо, способное к репликации. Репликация бактерий уже доставляет нам много проблем". Регулирующих актов пока нет, так как создание хотя бы простейшего нанорепликатора - дело будущего.

Для защиты от возможных нанокатастроф, а также для разработки безопасных сценариев развития нанотехнологий в США в 2002 году был создан Центр надежных нанотехнологий. Он тесно связан со всемирной организацией World Care, которая занимается безопасным внедрением продуктов высоких технологий в жизнь. В прошлом месяце ЦНН объявил о начале новой междисциплинарной программы под названием "30 важнейших вопросов нанотехнологий". Все вопросы разделены на пять разделов:

• Фундаментальные и технические.
• Возможности технологий молекулярного производства.
• Развитие технологий молекулярного производства.
• Производство продукции (количество, скорость производства, качество).
• Выработка политики контроля развитых нанотехнологий.

В этой программе ЦНН определит основные риски, связанные с развитием нанотехнологий и их использованием во вред человечеству. Также исследователи попытаются выработать меры защиты от потенциальных техногенных катастроф и сценарии безопасного развития нанотехнологий. Сейчас ЦНН лоббирует вопрос о создании всемирной организации по надзору за исследованиями в области нанотехнологий, это будет первым шагом к обеспечению стабильности в наноэру. Вопросы еженедельно обрабатываются персоналом ЦНН и публикуются на сайте.

Вопреки прогнозам Дрекслера, сделанным в середине 90-х, нанотехнологии развиваются гораздо стремительнее. Вполне возможно, что первые ассемблеры появятся уже через десять лет. ЦНН назвал 2020 год переломным годом в истории человечества и началом наноэры.

Единственным действительно эффективным оружием против наноопаностей может быть всеобщая осведомленность. Если все население Земли будет понимать, что может произойти при неправильном обращении с нанотехнологиями (как это было с ядерным оружием в 50-х годах), то общество будет знать, против чего ему протестовать.

Некоторые из описанных выше опасностей потребуют простых решений, некоторые - сложных. Открытой остается проблема о разрушительном использовании нанотехнологий террористическими организациями и даже отдельными людьми. Конечно, для обеспечения стабильного развития нанотехнологий потребуется создание ряда мировых организаций и принятие специальных законов. Предпосылки к этому закладываются уже сегодня.

- Из журнала "Компьютерра" от 6 июля 2004 года.