2. Теория эволюции. Принципиальное значение в развитии биотехнологий сыграл биогенетический закон Геккеля-Мюллера, согласно которому онтогенез (развитие организма) повторяет филогенез (развитие вида). Понимание этого закона позволило за счет работы с эмбриональными формами расширить технику гибридизации, перейти к направленной работе с химерами (организмами, состоящими из генетически разнородных тканей) и, в конечном счете, создать ряд техник, основанных на работе с эмбриональными стволовыми клетками.
В настоящее время завершено создание ядра ТП «Биотехнологии». Взаимосвязанными ключевыми технологиями пакета являются «Разрезание ДНК» и «Рекомбинация ДНК». Эти технологии позволяют, как модифицировать уже существующие наборы хромосом, так и конструировать произвольные геномы, не связанные генетически с каким-либо природным прототипом.
Прогресс биологии, с одной стороны, и прогресс вычислительной техники, с другой стороны, позволили расшифровать и картировать некоторые геномы.
Можно предсказать создание в течение горизонта прогнозирования базы генетических данных, включающей исчерпывающую информацию по целому ряду биологических видов. Вполне вероятно, что по мере создания такой базы будет достигнуто понимание структуры Пангенома — полной совокупности геномов земных живых организмов. Будут сделаны выводы об априори допустимых и априори недопустимых комбинациях нуклеотидов в проектируемом геноме.
Понятно, что конечной целью должна стать технология, позволяющая массовому конечному пользователю заниматься генетическим дизайном. Нормативно-правовой базой такой работы является Законодательный акт по работе с рекомбинантной ДНК, в которую, конечно, будут вноситься изменения, направленные на расширение возможностей такой работы.
Институциональным решением в области биотехнологий стало создание Биотехнологической Промышленной Организации, координирующей всю коммерческую и значительную часть исследовательской деятельности, а также накапливающую биотехнологические патенты.
Вторая важнейшая «ядерная» технология ТП «Биотехнологии» связана с использованием стволовых клеток, прежде всего, эмбриональных стволовых клеток (Л.Томпсон, Д.Герхарт, 1998 г.). Во-первых, эта технология дает возможность управлять режимом работы клетки, не меняя генома, регулируя экспрессию соответствующих генов. Во-вторых, способность стволовых клеток делиться с образованием любых дифференцированных клеток открывает возможность генетической перестройки уже сформировавшегося, взрослого организма.
Технологии работы с эмбриональными стволовыми клетками позволили решить проблему клонирования млекопитающих, что создает условия для ускорения направленной селекции через «штампование» генетически эквивалентных особей. Клонирование может найти себе широкое применение и в медицине.
Особенность ТП «Биотехнологии» состоит в том, что его ядро полностью создано и в дальнейшем будет претерпевать лишь оптимизационные улучшения, а периферия далеко еще не обрела системных свойств, в связи с чем перспективы развития технологического пакета совершенно неясны.
Априори можно предположить возникновение трех взаимосвязанных субпакетов, опирающихся на технологии рекомбинации ДНК, эмбриональных стволовых клеток и клонирования, и развивающихся в интересах медицины, сельского хозяйства, природопользования и высокотехнологичного машиностроения:
1. Биоинженерия (биокатализ, биосинтез, биосенсоры, клеточные маркеры, в перспективе — живые конструкционные материалы и живые системы);
2. Управление геномом (производство ГМ-растений, ГМ-животных, ГМ-микроорганизмов, в т. ч. ГМ-антибиотиков, ГМ-ферментов, ГМ-дрожжевых культур, биопестицидов и т. д.);
3. Искусственные экосистемы (производство вымерших организмов, создание принципиально новых биологических видов, создание экосистем).
Развитие этих направлений носит сценарнозависимый характер.
Магистральным направлением развития биотехнологий является достройка субпакета «управление геномом». На этом пути лежат огромные трудности, колоссальные возможности и предельные риски, в том числе — социальные.
Существенно, что исследования в области стволовых клеток, по-видимому, позволят произвести генетические усовершенствования взрослых людей.
В настоящее время нанотехнологии, в общепринятом смысле этого слова, представляют собой, скорее, не технологический пакет, а граду — совокупность технологий различного содержания и происхождения, работающих с информацией и материей и достигших приблизительно одинакового уровня организации.
Нанотехнологии, обычно, понимают, как технологии, оперирующие размерами менее 100 нм, хотя бы в одной измерении. И тогда мы можем говорить нанопленках; нанонитях, нанотрубках, нановолокнах; наночастицах, нанопорошках; наномеханизмах; наноустройствах (наноэлектроника).
Для работы на расстояниях порядка десятков-сотен нанометров используются технологии различного происхождения и назначения, работающие на совершенно различных принципах. Прежде всего, это атомно-силовой зондовый микроскоп, посредством которого удается измерять межатомные расстояния и перемещать отдельные атомы. Затем — физические технологии взрыва проводников и плазменного синтеза, химические по своему происхождению технологии восстановления тонких пленок и молекулярного наслаивания, смешанная технология ионного наслаивания. Весьма распространена технология микролитографии, имеющая «инженерное» происхождение, практически, это «продвинутая» технология изготовления печатных плат. В микролитографии, плазменном синтезе и взрывах проводников в качестве источников энергии могут применяться мощные коротковолновые лазеры.
Понятно, что столь разнородные технологии применяются для решения разнородных задач, и объединяет эти технологии лишь способность воздействовать на материю на субмолекулярном уровне. Заметим здесь, что характерные расстояния и энергии могут отличаться для различных нанотехнологий в сотни — тысячи раз.
На наш взгляд, размерные ограничения фиксируют лишь формальные сторону дела. Нанотехнологии используют квантовомеханические эффекты. В этом их главное отличие от любых других технологий.
Можно рассматривать нанотехнологии как результат взаимодействия квантовой механики и обычных индустриальных технологий — металлургических, химических, электротехнических и электронных, машиностроительных и т. п.
Информационная структура ТП «Нанотехнологии»
Информационная составляющая нанотехнологического пакета еще более обширна и значима, нежели в случае биологических или информационных технологий. Можно сказать, что нанотехнологии лежат на магистральном пути развития физики.
Физика участвует в формировании комплекса знаний, задающих развитие нанотехнологий, в четырех логиках:
Во-первых, классическая механика, развитие которой привело к созданию электродинамики и возникновению специальной теории относительности;
Во-вторых, оптика, которая в процессе своего развития породила лазерную физику, с одной стороны, и комплекс все более мощных измерительных приборов — лупа, оптический микроскоп, фазово-контрастный микроскоп, электронный микроскоп, атомно-силовой зондовый микроскоп;
В-третьих, метрология, развитие которой породила использующую зондовый микроскоп технологию измерения нанообъектов;
В-четвертых, классическая механика, оптика, электродинамика привели к созданию ранних моделей атома, открытию электрона и формированию комплекса представлений, получивших название квантовой механики.
Квантовая механика опирается на гипотезу Планка о квантованности энергии и законы Эйнштейна, описывающие явление фотоэффекта. На этой базе были сформулированы основополагающие принципы соответствия, дополнительности и неопределенности, первоначально интерпретированные в языке корпускулярно-волнового дуализма.
На следующем шаге было написано уравнение Шредингера, введено основополагающее понятие волновой функции, построена модель атома Бора и создана копенгагенская вероятностная трактовка квантовой механики.
Релятивистским обобщением уравнения Шредингера стало уравнение Дирака, положенное в основу квантовой электродинамики и — шире — релятивисткой квантовой механики, которую можно рассматривать, как синтез обычной квантовой механики и специальной теории относительности. Ряд проблеем релятивисткой квантовой механики был решен при создании в 1950-х годах квантовой теории поля и модели перенормировки. Среди многих направлений развития КТП особое значение для нанотехнологического пакета имеет механика конденсированных сред, которая породила в своем развитии теорию мягких и конденсированных сред и мезоскопическую физику[125].
Важно подчеркнуть, что блистательное на протяжении ряда десятилетий развитие квантовой механики не только не сняло квантовомеханические парадоксы, сформулированные еще в 1920-х годах, но и обострило их, экспериментально опровергнув наиболее простые объяснения, такие как гипотезу скрытых параметров.
Весьма важно понять следующее: в сущности, все нанотехнологии переводят квантовые процессы на макроскопический уровень, что формально противоречит принципу соответствия. С другой стороны, мысленный эксперимент с «кошкой Шредингера» указывает, что макроскопические квантовые процессы вполне реализуемы.
Любой квантовомеханический эффект, сколь бы странным и экзотичным он не был, рано или поздно будет воплощен в одной из нанотехнологий. Одним из важнейших направлений развития нанотехнологий станет практическая реализация квантовых парадоксов, прежде всего — парадокса Зенона и парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена.
Технологизация квантовомеханических представлений о спутанных состояниях является «главным вариантом» развития нанотехнологического пакета. Такие исследования могут сначала привести к возникновению квантового компьютера со сверхвысоким быстродействием и технологии управления вероятностями, а затем — открыть возможности для нового прогресса в области силовых машин, двигателестроения, энергетики.