NA ROZDROŻU NANOTECHNOLOGII

Konrad T. Lewandowski

Roboty wielkości wirusów, miniaturowymi łapkami będą chwytać atomy i łączyć je w zupełnie nowe materiały... Nie. Nie tędy droga! W Instytucie Informatyki Teoretycznej i Stosowanej w Gliwicach tworzone są właśnie teoretyczne podstawy nanotechnologii, która powinna się stać rzeczywistością około 2030 roku. Będzie to świat sztucznych roślin, wykazujących jednocześnie cechy organizmów żywych i przedmiotów martwych.

Konrad T. Lewandowski

NA ROZDROŻU NANOTECHNOLOGII

Roboty wielkości wirusów, miniaturowymi łapkami będą chwytać atomy i łączyć je w zupełnie nowe materiały... Nie. Nie tędy droga! W Instytucie Informatyki Teoretycznej i Stosowanej w Gliwicach tworzone są właśnie teoretyczne podstawy nanotechnologii, która powinna się stać rzeczywistością około 2030 roku. Będzie to świat sztucznych roślin, wykazujących jednocześnie cechy organizmów żywych i przedmiotów martwych.

Przedrostek „nano” oznaczający 0,000 000 001 część metra, kilograma lub sekundy zrobił się tak modny, że zaczyna to już grozić pomieszaniem pojęć. Termin „nanotechnologia” stosowany jest za każdym razem gdy uda się stworzyć jakiś obiekt o wielkości mierzonej w nanometrach. Szczególnie twórcy tworzyw kompozytowych, metalowo-ceramicznych lub mineralno-węglowych, kiedy tylko pod mikroskopem elektronowym zobaczą, że struktury osnowy ich kompozytu są mniejsze od jednego mikrometra, natychmiast dumnie wypinają pierś i ogłaszają się twórcami nanotechnologii, a otrzymane materiały nazywają szumnie „nanokompozytami”.

Te, liczne ostatnio doniesienia można traktować z przymrużeniem oka, z całą pewnością jednak świadczą one jak wielkie znaczenie zaczyna mieć inżynieria na poziomie atomowym. Przypomnijmy, że rozmiary atomów i cząstek w większości przypadków mieszczą się w zakresie 0,1-10 nm, oczywiście cząsteczki polimerów i białek są wielokrotnie większe.

Generalnie, termin nanotechnologia dotyczy trzech różnych dziedzin techniki i oznacza hipotetyczną metodę budowania skomplikowanych struktur z pojedynczych atomów, zaawansowaną miniaturyzację w elektronice oraz naśladowanie procesów syntezy zachodzących w organizmach żywych.

Mit Assemblera

Historia nanotechnologii zaczęła się w roku 1959 od wypowiedzi fizyka-noblisty Richarda Feynmana, że możliwe będzie budowanie obiektów atom po atomie. Ten proces układania atomów następcy Feynmana nazwali bardziej uczenie: „fizyczną mechanosyntezą”. Bezpośrednim skutkiem tego pomysłu była wizja mikroskopijnego urządzenia, chwytającego atomy i układającego je według zadanego programu. Urządzenie to nazwano Assemblerem, czyli Monterem i zaczęto się głowić jak by je tu zbudować.

W ostatnich 20 lat udało się zgromadzić kilka potencjalnych części Montera. Jego manipulatory mają być zbudowane z węglowych nanorurek, będących odmianą fulerenu, czyli trzeciej po graficie i diamencie alotropowej odmianie węgla. Napęd ma zapewnić silnik zbudowany z obracających się cząstek ATP-azy, czyli enzymu odpowiedzialnego za syntezę ATP (adenozynotrójfosforanu), który dostarcza energii procesom biochemicznym zachodzącym w naszych komórkach. Tego typu mikroskopijny silniczek zbudowali w 1997 naukowcy z Tokyo Institute of Technology.

Z kolei korpus i systemy sterowania Assemblera planowano wykonać z kulistych form fulerenów, które w zależności od domieszek mogą mieć właściwości pół, całych i nadprzewodników. Za operacje logiczne odpowiedzialne miały być umieszczone w środku cząsteczki chemiczne zwane rotaksanami.

Cała ta koncepcja wydaje się brnięciem w ślepą uliczkę. Pod koniec lat 90. XX wieku ogłaszano, że skonstruowanie Montera jest tuż, tuż... I wciąż nic. Nadal siedzimy bezradnie nad czymś, co przypomina zdekompletowane pudełko klocków Lego. Największym dotychczasowym sukcesem nanotechnologii, rozumianej jako mechanosynteza, było ułożenie z atomów argonu logo firmy IBM za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego Gerda Binninga i Heinricha Röhrera, którzy za wynalezienie tego urządzenia dostali w 1986 roku nagrodę Nobla. Za pomocą mikroskopu tunelowego można już dziś zginać i przestawiać fulerenowe nanorurki, ale do zbudowania Asseblera nas to nie przybliża. Nanosceptycy przy każdej okazji podkreślają ogromną dysproporcję pomiędzy obietnicami, a realnymi możliwościami nanoentuzjastów.

Zbudowanie Montera z molekularnych klocków nie jest tu bowiem problemem największym. Jeżeli bowiem uda się skonstruować takiego robocika, to ileż atomów jest on w stanie połączyć choćby nawet najżwawiej przebierał fulerenowymi łapkami? Potrzebne są co najmniej biliony nanorobotów, aby efekt ich działalności stanowił wymierny konkret, użytkowy i ekonomiczny. Oznacza to, że musimy wyposażyć te twory w zdolność rozmnażania, a do tego jest jeszcze daleko.

Aktualnie trwają prace nad tzw. Projektem Minimalnego Genomu, czyli stworzeniem sztucznego życia. Przedmiotem tych badań jest bakteria Mycoplasma genitalium, żyjąca w drogach moczowych i układzie oddechowym człowieka. Jest to najprostszy samodzielny żywy organizm, wyposażony w zaledwie 470 genów, z czego 330 jest Mycoplasmie naprawdę niezbędne do życia. Stąd wziął się pomysł aby sztucznie zsyntetyzować ów minimalny zestaw genów i połączyć je w nić DNA. Następnie to syntetyczne DNA umieszczamy w kulce tłuszczu, dodajemy enzymy odczytujące informację genetyczną, uruchamiamy syntezę białka i otrzymujemy jednokomórkowego Frankensteina... Na razie jeszcze sukcesu publicznie nie ogłoszono, ale problem sztucznego życia jest dla rozwoju nanotechnologii zagadnieniem kluczowym.

Trudno jednak wyobrazić sobie aby nanoroboty zdolne do samoreplikacji zyskały powszechną akceptację. Raczej wzbudzać będą one obawy i to znacznie większe niż współczesna inżynieria genetyczna. Assemblery zachwala się snując opowieści o tym jak będą one krążyć w organizmie człowieka, wykrywając i likwidując w zarodku guzy nowotworowe, zatory w tętnicach oraz chorobotwórcze bakterie i wirusy. Co jednak będzie jeżeli roje niewidzialnych gołym okiem Monterów wymkną się spod kontroli? Wystarczy wszak jeden mutant, który przekaże swe nietypowe cechy kolejnym pokoleniom maszyn potomnych. Te z kolei mogą urządzić nas dosłownie na perłowo np. pokrywając ludzką skórę łuskami o barwie macicy perłowej...

Bardziej prawdopodobne jest, że zmutowane nanoroboty staną się przyczyną nowych generacji złośliwych nowotworów, atakujących zarówno ludzi, zwierzęta i rośliny, jak również budynki, drogi, maszyny oraz elektroniczne chipy. Oprócz przypadkowych mutacji trzeba jeszcze wziąć pod uwagę Assemblery specjalnie zaprojektowane do celów militarnych i terrorystycznych.

Podejrzewa się też, że zbuntowane lub zdefektowane nanoroboty mogą zacząć działać w sposób całkowicie chaotyczny, przekształcając napotkane istoty, przedmioty oraz materiały w bezpostaciowy i bezużyteczny proszek lub rodzaj pumeksu. Jest to tzw. problem „szarej masy”, w którą w skrajnym przypadku może zamienić się cała powierzchnia Ziemi.

Nie umiemy zatem zbudować Assemblera, a gdybyśmy umieli, to bardzo możliwe, że się na to nie odważymy. Dlatego ten kierunek rozwoju nanotechnologii wydaje się mitem i ślepą uliczką. Tylko pisarze literatury science fiction mają tu duże pole do popisu, które zresztą od lat eksploatują. Przykładem nanotechnologii w literaturze jest opowiadanie Jacka Dukaja „Katedra”, którego animowana wersja, stworzona przez Tomasza Bagińskiego była nominowana do Oskara.

Przed nanotechnologią otwierają się jednak jeszcze dwie inne perspektywy.

Kwantowa informatyka

Ta technologia jest naturalnym rezultatem postępu w miniaturyzacji obwodów elektronicznych. Kiedy rozmiary elementów elektronicznych stają się porównywalne z długościami fal materii, towarzyszących cząstkom elementarnym, zwłaszcza elektronom, wówczas wpływ na prądy płynące wytrawionymi w krzemie ścieżkami zaczynają mieć efekty kwantowe. Elektrony mogą np. tunelować (przenikać) przez warstwy izolujące lub interferować ze sobą, powodując istotne zakłócenia pracy mikroprocesora i całego komputera. Mogą znikać bity niosące ważną informację, albo pojawiać się sygnały fałszywe.

Te efekty próbuje się jednak wykorzystać do wielokrotnego zwiększenia mocy obliczeniowej komputerów. Wiąże się to ze zjawiskiem superpozycji, czyli istnienia na raz wszystkich możliwości, które dopiero w momencie wykonania pomiaru stanu kwantowego redukują się do konkretnego wyniku pomiaru. Popularnym przykładem superpozycji kwantowej jest przypadek kota Shrodingera, który jest zarazem żywy i martwy, dopóki nie pojawi się obserwator i sprawdzi jak faktycznie jest. Wtedy superpozycja (zbiór możliwości) zredukuje się do żywego lub martwego kota.

Teoretycznie komputer kwantowy będzie wykonywać wszystkie możliwe obliczenia jednocześnie, które zredukują się do ostatecznego wyniku, gdy zażądamy od komputera odpowiedzi. Problem polega na tym, że każde oddziaływanie środowiska zewnętrznego na układ przeprowadzający obliczenia kwantowe powoduje zanik superpozycji i przerwanie obliczeń. Istnieją poważne wątpliwości czy kiedykolwiek uda się odizolować kwantowy procesor od wszelkich wpływów otoczenia, w rodzaju drgań termicznych atomów, przypadkowych fal elektromagnetycznych i cząstek promieniowania kosmicznego.

Póki co jednak nanotechnologia dobrze sprawdza się przy konstruowaniu ewentualnych przyszłych elementów roboczych komputera kwantowego, takich jak kropki kwantowe, złącza Josephsona czy systemy optycznego pułapkowania atomów. Na bazie tych struktur mają być budowane bramki kwantowe, przeprowadzające operacje logiczne na qubitach, czyli bitach kwantowych, z których każdy jest jednocześnie superpozycją klasycznego 0 i 1. Fizyczna struktura qubitu ulega zniszczeniu w momencie pomiaru dając w rezultacie 0 lub 1. Prawdopodobieństwo pojawienia się 0 lub 1 jest różne i wynika z wcześniejszego przebiegu obliczeń kwantowych.

Aby takie działania były możliwe trzeba utrwalić i kontrolować jakiś konkretny stan kwantowy np. spin elektronu. Do tego potrzebna jest któraś w wymienionych wyżej nanostruktur, które z punktu widzenia potrzeb informatyki kwantowej mają swoje odrębne zalety i wady.

Na przykład, kropki kwantowe są to miejsca w krysztale otoczone przez zestaw miniaturowych elektrod, ułożonych w taki sposób, że po przyłożeniu do nich odpowiednich napięć, w tym obszarze kryształu tworzy się studnia potencjału, w którą można schwytać pojedynczy elektron i dokładnie kontrolować jego stany energetyczne. Typowa kropka kwantowa ma średnicę rzędu 100 nm, choć bywają mniejsze, i przypomina łąkę otoczoną pastuchem elektrycznym, na której pasie się pojedyncza owca-elektron. Problemem jest jednoczesna kontrola kilku sąsiednich kropek kwantowych i odczyt stanów reprezentowanych w ten sposób qubitów. Wiadomo jednak jak powinna wyglądać matryca kropek kwantowych w procesorze komputera kwantowego i jest to rozwiązanie najbardziej obiecujące technicznie.

Z kolei złącze Josephsona składa się z dwóch ścieżek nadprzewodnika, (każda z innego metalu w stanie nadprzewodnictwa), oddzielonych warstwą izolatora grubości kilku nanometrów. W złączu tym zachodzi efekt tunelowania elektronów parami przez warstwę izolującą. Już teraz złącza Josephsona wykorzystywane są jako odpowiedniki tranzystorów. Wytwarza się je łatwo metodami litograficznymi, jednak wymagają one pracy w niskich temperaturach ze względu na konieczny efekt nadrzewodnictwa, a ponadto trudno jest odizolować je od wpływów środowiska.

Optyczne pułapkowanie atomów przypomina przechowywanie jajek w tekturowych, wytłaczanych przegródkach, przy czym jajka reprezentują atomy, zaś wytłaczaną przegródkę stojące fale światła laserowego. Nie jest to porównanie bardzo odległe od rzeczywistości, gdyż struktura potencjału promieniowania elektromagnetycznego, w którego minimach (dołkach) więzione są atomy, w istocie do złudzenia przypomina pojemnik na jajka. Główną zaletą tego rozwiązania jest stosunkowo duża odporność na oddziaływanie środowiska i łatwość manipulacji stanami energetycznymi atomów za pośrednictwem światła laserowego. Trudne jest jednak wytwarzanie takich stanów i dłuższe przetrzymywanie schwytanych atomów lub jonów, zwłaszcza w ilościach większych od 50 sztuk.

Istnieją jeszcze inne rozwiązania techniczne, potencjalnie przydatne do budowy komputera kwantowego i w każdym przypadku nanotechnologia ma wiele do zaoferowania. Jest to jednak kierunek rozwoju bardzo odległy od pierwotnych wyobrażeń „fizycznej mechanosyntezy”, która miała radykalnie zmieć nasz świat. Skoro roje niewidzialnych Monterów są zbyt niebezpieczne, a informatyka kwantowa to właściwie uboczny produkt nanotechnologii, gdzie wobec tego kryje się kolejna rewolucja cywilizacyjna związana ze słowem „nano”?

Aby znaleźć odpowiedź na to pytanie najlepiej jest popatrzeć na pierwsze z brzegu drzewo lub poroże jelenia.

Sztuczne tkanki

Dotychczasowa informatyka w teorii i praktyce zajmowała się generalnie rzecz biorąc obliczaniem. Tworzono nowe algorytmy, programy i struktury, w których mogły być one realizowane. Istnieje jednak jeszcze inna, alternatywna informatyka zajmująca się programami funkcjonującymi w organizmach żywych, używanymi do produkcji białek oraz organizacji tych związków w bardziej złożone struktury.

Celem tej drugiej informatyki jest odtworzenie procesów syntezy zachodzących w żywych komórkach. Na bazie tej wiedzy mają być projektowane zupełnie nowe technologie otrzymywania zaawansowanych tworzyw, półfabrykatów i przedmiotów użytkowych, wzorowane na mechanizmach wzrostu istniejących w przyrodzie ożywionej. Będzie to nanotechnologia operująca całymi sekwencjami atomów, tak jak dzieje się to podczas syntezy białka, a nie pojedynczymi atomami chwytanymi łapkami Assemblera.

Teoretyczne podstawy tej odmiany nanotechnologii opracowywane są właśnie w Instytucie Informatyki Teoretycznej i Stosowanej w Gliwicach, pod kierunkiem prof. Stefana Węgrzyna. Tworzy się tam projekty eksperymentów z użyciem sztucznych fragmentów DNA, które mają posłużyć do produkcji zaprojektowanych uprzednio peptydów i białek, na razie jeszcze niezbyt skomplikowanych, bo składających się np. z 6 aminokwasów. Przypomina to póki co inżynierię genetyczną, ale nie chodzi tu o manipulacje żywymi organizmami, ale o stworzenie całkowicie sztucznego życia.

Zdaniem prof. Węgrzyna dotychczasowe projekty mapowania genomów roślin, zwierząt i człowieka pozwoliły nam poznać tylko oprogramowanie organizmów żywych, a teraz musimy dowiedzieć się jak wygląda system operacyjny, w którym te programy są realizowane.

Nasza dotychczasowa wiedza pozwala nam zaprogramować wybraną bakterię na produkcję konkretnego białka lub enzymu, przydatnego w medycynie lub produkcji proszku do prania, ale związek ów będzie powstawał w komórkach bakteryjnych w postaci rozproszonej. Potrzeba potem wielu kolejnych operacji żeby otrzymaną substancję wyodrębnić i oczyścić. Kiedy zaś uzyskamy wiedzę o „biologicznych systemach operacyjnych” będzie można zaprogramować żywą komórkę aby nie tylko wytwarzała potrzebne związki, ale również organizowała je w złożone, makroskopowe struktury na podobieństwo tkanek.

Co więcej, kiedy uporamy się z problemem programowania DNA i realizacją tego programu, to może okazać się, że zarówno DNA jak i żywe komórki nie są nam już do niczego potrzebne. Można będzie użyć związków syntetycznych zupełnie różnych od DNA (w szczególności nie będących kwasami), ale posiadającymi też zdolność samoreplikacji i przechowywania informacji genetycznej. Zapisy te będą mogły być odczytywane i realizowane w środowisku całkowicie sztucznym (chemicznym systemie operacyjnym), zaprojektowanym od podstaw do tego celu. Makroskopowa samoorganizacja zsyntetyzowanych w ten sposób substancji, według prof. Węgrzyna, powinna przebiegać na zasadzie tworzenia struktur fraktalnych.

Innymi słowy: będą wyrastać sztuczne pseudożywe rośliny i drzewa (każde drzewo na fraktalną strukturę konarów i gałęzi), które zamiast drewna dostarczać będą tworzyw kompozytowych i stopów metali o składzie i strukturze zapisanych w sztucznym odpowiedniku DNA. Możliwe powinno być też programowanie wzrostu gotowych wyrobów lub półfabrykatów np. rur, kształtek i kątowników. Będzie to technologia o wiele tańsza od obecnych i dająca wielokrotnie mniej odpadów. Przypuszczalny termin wdrożenia przewidywany jest w okolicach 2030 roku.

Dalsze rozważania wraz z ilustracjami stanowią to oryginalne hipotezy Autora niniejszego artykułu, bazujące na pracach zespołu prof. Węgrzyna.

Wydaje się, że w rozwoju tej odmiany nanotechnologii da się wyróżnić dwie kolejne generacje. Pierwszą generację przedstawia wizja nanotechnologicznej huty przyszłości (rys. 1), drugą nanolas rosnący na starym wysypisku odpadów (rys. 2). Zasadniczą różnicą jest tu kwestia samodzielności nanorośli.

Organizmy nanotechnologiczne wykorzystywane do produkcji wyrobów metalowych z pominięciem procesów wytopu są zaopatrywane zewnątrz w pożywkę (roztwór soli żelaza) i energię - zasilane wprost prądem elektrycznym o napięciu kilku wolt.

W naturalnych warunkach około dwóch trzecich objętości i masy każdego żywego organizmu stanowi system produkcji energii – układ pokarmowy, oddechowy i wydalniczy, a ponadto u roślin liście, a u zwierząt mięśnie, kości i zęby niezbędne do zdobywania pokarmu. U nanorośli zasilanych energią elektryczną wszystko to będzie niepotrzebne, zbędny będzie też układ rozrodczy i większa część nerwowego. W praktyce taki sztuczny organizm powinien przypominać samo mięso pokryte siecią naczyń i przewodów. Możliwe, że owo „mięso” będzie gąbczastą strukturą fulerenową, w której wnętrzu zachodzić będzie proces redukcji jonów żelaza do wolnych atomów, połączony z jednoczesną organizacją tych atomów (wraz z domieszkami uszlachetniającymi) w strukturę stali o kształcie rurki.

W takim przypadku nanoorganizm jest pod całkowitą kontrolą człowieka i nie może być mowy o problemie szarej masy. W razie zwyrodnienia natychmiast wyłączamy prąd i odcinamy dopływ pożywki.

Druga generacja nanotechnologii będzie już bardziej ryzykowna. Nanodrzewa rosnące na odpadach będą musiały być całkowicie autonomiczne jeśli chodzi o zdobywanie pokarmu i wytwarzanie energii. Najbardziej prawdopodobne wydaje się tu naśladowanie strategii życiowej cudzożywnych grzybów. Takie nanoorganizmy będą potencjalnie zdolne do wyrwania się spod ludzkiej kontroli. Ponieważ jednak będą to tworzy duże, wielkości rzędu kilku metrów, problem będzie o wiele mniejszy niż w przypadku niewidzialnych gołym okiem nanowirusów. Niemniej ryzyka jakie niesie nanotechnologia nie da się całkowicie wyeliminować.

Jeżeli nie zaatakuje nas fala „szarej masy”, mogą to być nanotechnologiczne odpowiedniki tryfidów, czyli agresywnych roślin znanych z literatury SF. Od ewentualnego ziszczenia się tych kłopotów dzieli nas co najmniej jedno pokolenie, lecz nie jest to już tylko fantazja, którą można beztrosko zbagatelizować. Zdaniem prof. Stefana Węgrzyna: „Jest to teoria na którą nie wolno zamykać oczu i sądzić, że nie patrzenie zabezpieczy nas przed potencjalnymi zagrożeniami. Tylko pełna wiedza może zapewnić bezpieczeństwo i korzyści z prawidłowej eksploatacji tej technologii.”

Konrad T. Lewandowski

(Autor jest inżynierem chemikiem, doktorem filozofii i pisarzem SF)