НАНОТЕХНОЛОГИИ В БИОЛОГИИ
Норкин С.А.
Научный руководитель: Дворовенко Н.И.
ФГОУ ВПО «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт»
Нанотехнологии. В последнее время мы часто читаем и слышим это слово в средствах массовой информации. Также появилось много рекламы, предлагающей купить что-нибудь с приставкой «нано…». А что это такое?
Мы хорошо знаем, что сантиметр – сотая доля метра, миллиметр – тысячная. А нано – просто обозначает миллиардную долю чего-нибудь. Нанометр – миллиардная часть метра (1 нм = 10-9 м). Технология (от греч. Technё – искусство, мастерство, умение и …логия) – совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции. Задача технологии как науки – выявление физических, химических, механических и других закономерностей с целью определения и использования на практике наиболее эффективных и экономичных производственных процессов.
До сих пор не умолкают споры в науке относительно даты основания и имени основателя нанотехнологии. Кто-то считает отцом-основателем греческого философа Демокрита, который примерно в 400 году до н. э. впервые использовал слово «атом» для описания самой малой частицы вещества. Кто-то называет основоположником нанотехнологии Ричарда Фейнмана. Есть сторонники и у Эрика Дрекслера, автора книги «Машины созидания». Сам же термин «нанотехнологии» ввел в научный оборот больше тридцати лет назад японский физик Норио Танигучи, который предложил так называть механизмы размером менее одного микрона. Однако не стоит думать, что эти технологии – что-то новое для человечества. Археологические раскопки, которые проводились учеными разных стран, свидетельствуют о наличии рукотворных нанообъектов еще в античном мире. Например, так называемые «китайские чернила» появились в Древнем Египте более четырех тысяч лет назад, а возраст биологических нанообъектов может исчисляться с момента возникновения жизни на Земле. В разные периоды на протяжении всей истории человечества интерес к ним то возникал, то пропадал. Сегодня человечество накрыла очередная волна интереса к нанотехнологиям. Вопрос – к чему она приведет? К расцвету и процветанию землян или смоет их в каменный век?
Каких чудес и разочарований ждать через 20, 30, 40 лет? Вот прогноз того что, могут дать нанотехнологии через несколько десятилетий при сохранении современных темпов развития. Основная проблема наноиндустрии сегодня – управляемый механосинтез, то есть составление молекул из атомов с помощью механического приближения до тех пор, пока не вступят в действие соответствующие химические связи. Для обеспечения механосинтеза необходим наноманипулятор, способный захватывать отдельные атомы и молекулы и манипулировать ими в радиусе до 100 нм. На сегодня подобные манипуляторы не существуют.
Эксперты прогнозируют появление такой системы к 2010 - 2020 годам. На основе системы «нанокомпьютер – наноманипулятор» можно будет организовать сборочные автоматизированные комплексы, способные собирать любые макроскопические объекты по заранее снятой либо разработанной трехмерной сетке расположения атомов. Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, самособирающихся колоний на Луне и Марсе, их освоение многозвенными роботами-амебами, производство подводных строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это в 2050-х годах). Возможность самосборки может привести к решению глобальных вопросов человечества: проблемы нехватки пищи, жилья и энергии. Нанотехнологии существенно изменят конструирование машин и механизмов – одни части упростятся вследствие новых технологий сборки, другие станут ненужными. Это даст возможность конструировать машины и механизмы, ранее недоступные человеку из-за отсутствия технологий сборки и конструирования. С помощью механоэлектрических нанопреобразователей можно будет преобразовывать любые виды энергии с большим КПД и создавать эффективные устройства для получения электроэнергии из солнечного излучения с КПД около 90%. Появится возможность глобального экологического и погодного контроля благодаря системе взаимодействующих нанороботов, работающих синхронно. Искусственный фагоцит сможет уничтожать чужеродные бактерии и вирусы. Большее развитие получат биотехнологии и компьютерная техника. С появлением наномедицинских роботов станет возможным отдаление человеческой смерти на неопределенный срок. Не будет проблем и с перестройкой человеческого тела для качественного увеличения естественных способностей. Человеку, чтобы запастись энергией, совсем не обязательно будет что-либо есть. Нанотехнологии обеспечат его запасами энергии без употребления пищи.
Различные нейроинтерфейсы и имплантаты, разработанные в настоящее время, будут значительно улучшены. Их биологическая совместимость с нервными тканями человека станет еще более полной. Тогда наступит время «настоящей» виртуальной реальности и полноценного взаимодействия с компьютерами через нервную систему человека. Сегодня такие нейрочипы и нейроинтерфейсы проходят лабораторные тесты. Благодаря новым возможностям, компьютерная техника трансформируется в единую глобальную информационную сеть огромной производительности. Причем каждый человек будет терминалом – через непосредственный доступ к головному мозгу и органам чувств.
Средства отображения информации на сегодня уже пополнились прозрачными и гибкими дисплеями на основе нанотрубок или квантовых точек. А через несколько лет с их помощью можно будет реализовать сворачиваемые электронные газеты, обновляемые непосредственно через беспроводные сети.
Существенно изменится область материаловедения: появятся так называемые «умные» материалы, которые способны к мультимедиаобщению с пользователем. Сырьевая проблема, по мнению аналитиков, для нанороботов существовать не будет. Они для постройки большинства объектов станут использовать несколько самых распространенных типов атомов: водород, углерод, кремний, азот, кислород, серу и другие – в значительно меньшем количестве. С освоением человечеством соседних планет проблема сырьевого снабжения будет окончательно решена.
Использование нанотехнологий в биофизике переживает самый начальный этап своего развития. Несмотря на это, уже сегодня понятно, что именно внедрение нанотехнологических и биофизических методов в «классическую» биологию позволит добиться самых невероятных и удивительных результатов. Многие исследователи даже полагают, что биологический вид «Человека разумного» в течение ближайшего столетия будет практически полностью заменен новым биологическим видом. Этот человек будет представлять из себя сложнейший синтез генных модификаций и имплантаций технологических систем. Электронные компоненты, размещаемые непосредственно в человеческом организме, будут обеспечивать непрерывную связь с сетями, подобными Internet. В этом направлении ведутся эксперименты по вживлению многоэлектродных решеток непосредственно в кору головного мозга. Целью этой технологии является выявление поврежденных мозговых центров. Предполагается использовать эту методику в будущем для диагностирования ряда заболеваний высшей нервной деятельности и их лечения.
Сегодня уже применяется множество имплантирующих устройств разнообразного назначения: от простых механических суставов и соединительных деталей до сложных сердечных электростимуляторов. В будущем сложность и разнообразие подобного рода устройств будет возрастать в геометрической прогрессии и, прежде всего, за счет новейших достижений нанотехнологий.
Интересным и перспективным классом имплантатов являются устройства, позволяющие управлять биохимией естественных процессов организма за счет программируемого выделения препаратов. Например, имплантируемое устройство может измерять уровень содержания сахара в крови и при необходимости немедленно вводить в кровь требуемое количество инсулина.
Другое крайне интересное направление развития медицинских имплантатов связано с возможностью создания контактной среды между мозгом и электронными системами, например, c Internet, а также созданием гибридов искусственного и естественного интеллектов. Сейчас пытаются вводить электроды в глаз человека для стимулирующего воздействия на сетчатку. Это позволит врачам возвращать зрение пациентам с некоторыми формами врожденной слепоты.
Наука и студенты
Сборник материалов
VIII-й внутривузовской научно-практической
студенческой конференции
Компьютерная верстка: Телепов К.В.
Редактор: Кособуцкая Р.А.
Подписано к печати 10.07.2009 Формат 84х108 1/32
Бумага для множительной техники. Печать лазерная.
Гарнитура «Times New Roman»
Усл. печ. л. 16,3 Тираж 100 экз. Заказ № 466-09
Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт,
Информационно-издательский отдел
650056 Кемерово ул. Марковцева,5. Тел. 73-43-59.
|
