Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы - Анья Рёйне

Прямые связи между механизмами и сигнальными системами тела можно использовать и в обратном направлении: есть возможность влиять на мозг или мышцы с помощью сигналов снаружи. Сигнальные системы насекомых устроены проще, чем наши, и существуют системы, позволяющие дистанционно управлять жуками, кузнечиками и молью – вживленные электроды подсоединены к маленькому компьютеру, расположенному на голове. Таким образом, можно, например, создать войско кузнечиков с дистанционным управлением, если вам нужны мелкие механизмы, умеющие делать снимки или проникать в тесные пространства. Животных, чей мозг устроен сложнее, таких как крысы и голуби, можно контролировать с помощью воздействия на системы наказания и поощрения. В этом случае электроды подсоединяются к нервным клеткам напрямую, или же сигналы используются для высвобождения химических веществ, которые получают клетки мозга.

О киборгах – своего рода гибридах человека и машины, обладающих экстраординарными способностями, – мы знаем из фильмов и книг. Но в широком смысле слова люди с кардиостимуляторами и имплантами сетчатки, можно сказать, уже киборги. И у нас есть все возможности продолжить развитие в этом направлении.

На сегодняшний день почти немыслимо в какой-то момент не купить ребенку личный мобильный телефон до того, как он пойдет в среднюю школу. Когда мои дети вырастут, для них, возможно, немыслимым станет вождение собственного автомобиля. Дети моих детей, возможно, сочтут само собой разумеющимся имплантированные механизмы, дающие им определенные преимущества: следить за здоровьем, улучшать зрение и слух – или иметь возможность общаться с внешним миром, оплачивать счета и отправлять сообщения, не пользуясь внешними устройствами.

Электронные компоненты постепенно уменьшаются в размерах. Компьютер в моем мобильном намного мощнее, чем тот, на котором работал мой отец в те времена, когда я была маленькой, – он был огромным, размером с холодильник. На сегодняшний момент мы узнали так много о том, как работают материалы, вплоть до уровня атомов, что способны создавать очень мелкие механизмы – чтобы их увидеть, нам понадобятся мощные современные микроскопы. При желании мы сможем отправить компьютеры и роботов в артерии и клетки нашего тела.

Можно подумать, что развитие в сторону все более и более мелких механизмов – хорошая новость для тех, кто переживает по поводу того, что в будущем какие-то материалы закончатся. Чем меньше устройство, тем меньше сырья для него требуется. Вот один из аргументов в пользу того, что мы сможем и дальше расти и развиваться как цивилизация, не увеличивая нагрузку на мировые природные ресурсы. Для работы более мелких единиц необходимо и меньше энергии. В будущем мелкие механизмы, вживленные в человеческие тела, начнут собирать имеющуюся в них химическую энергию и, таким образом, работать без батарей, требующих подзарядки[144].

Производство мелких вещей тоже имеет свою цену. Чем предмет меньше, тем чище он должен быть, чтобы работать. Большое радио, собранное из металлических деталей, которые можно подержать в руке, вполне способно работать, даже если в деталях содержится большое количество примесей, а если деталь мала и состоит всего из нескольких атомов, важен каждый из них. Вот как устроена современная электронная промышленность: производство организовано в лабораториях – настолько стерильных, что серьезные проблемы создаст даже одна-единственная частичка пыли. Удается это благодаря сложным вентиляционным и фильтрационным системам – что, в свою очередь, требует большого количества энергии и четкого контроля всего происходящего с оборудованием[145].

Между довольно высоким уровнем чистоты, очень высоким и ультравысоким немалая разница. Например, примеси одного вещества можно убрать с помощью дистилляции – это возможно благодаря тому, что у всех чистых веществ своя температура кипения. Когда во время дистилляции производят спирт, смесь воды и алкоголя нагревается и в форму газа вместе с очень небольшим количеством воды переходит алкоголь. Чтобы убрать как можно больше воды, процесс необходимо повторить несколько раз. На выпаривание алкоголя на каждом этапе тратится много энергии, и с каждым разом какое-то количество алкоголя неизбежно теряется. Тот же самый принцип касается и других материалов, нуждающихся в очистке. Хотя получающийся в итоге крошечный механизм потребляет мало энергии и мало весит, на стадии производства за ним стоит трата большого количества энергии и химикатов. Энергия, которая тратится на химическое разделение – процессы, во время которых вещества отделяются друг от друга, – на сегодняшний день соответствует примерно трети всей той энергии, что расходует мировой транспортный сектор[146].

Существует несколько методов производства мелких объектов. Бактерии и иные живые организмы тоже своего рода мелкие механизмы. Ученые уже умеют менять генетический материал простейших организмов, чтобы они вырабатывали определенные химические вещества. Ряд бактерий сами по себе производят электрические провода всего в несколько атомов толщиной[147]. Сейчас ученые выясняют, какие гены управляют производством этих материалов. В будущем мы сможем применить эти знания для разработки собственных электронных компонентов, создав бактерии специально для этого.

Возможно, электронику ждет иное будущее: мы сами, взаимодействуя с другими живыми организмами, станем компьютерами. Детали компьютеров будут в меньшей степени состоять из металлов, добываемых из земли, а больше – из живых организмов, а энергию они будут черпать из солнечного света, а не ископаемых. Для всего этого по-прежнему нужны многолетние исследования и дорогостоящие условия.

Бактерии или растения никогда не будут производить для нас всю необходимую электронику. Не в последнюю очередь это касается космических полетов. Они важная составляющая наших технологий и науки: мы способны разворачивать деятельность не только на Земле, но и в космосе. Материалы, используемые за пределами земной атмосферы, должны обладать сверхпрочностью. Мы знаем, что, если будем слишком долго загорать, можем обгореть и заболеть раком кожи. Все потому, что несущий энергию диапазон солнечного света, называемый ультрафиолетом, способен разрушить химические связи в молекулах, из которых состоит наша кожа. К счастью для нас, фотосинтез подарил нам озоновый слой в атмосфере, мешающий опасному излучению добраться до поверхности Земли. С внешней стороны слоя это излучение гораздо сильнее. Не стоит ожидать, что органические молекулы в созданной бактериями электронике осилят путешествие в космос.