Как ни крути, но в сравнении с другими науками медицина со времен Гиппократа развивается довольно медленно. Как ты понимаешь, связано это, в основном, с тем, что человек сам по себе - устройство сложное и не одно десятилетие понадобилось для изучения его тела от костей до отдельных клеток. В 50-х годах прошлого века, с расшифровкой структуры ДНК, появилась надежда на то, что когда-нибудь в отдаленном будущем медицина доберется наконец-то до корней любого заболевания, которых без изучения тела на молекулярном уровне не поймаешь.

Ты сам знаешь, что пока не понятно, как работает и из каких частей состоит тот или иной девайс, отремонтировать его невозможно. Тело – такой же девайс, только очень сложный. Его основные «шестеренки и запчасти» лежат в диапазоне размерных величин, который называется нанометровым. Вот почему до развития нанотехнологий - комплекса наук, занимающихся постройкой и изучением объектов, состоящих из отдельных молекул и атомов, - медицина была «поверхностной».

Второй ляп медицины вообще - это то, что тебя начинают лечить уже после того, как болезнь не только появилась и развилась в теле, но еще и смогла «закрепиться» в нем, иначе тебе просто не поставили бы диагноз. То есть врачи начинают бороться за твое здоровье уже с фактического поражения. Как ты знаешь, лучшая защита – это нападение, поэтому медицина должна стать упреждающей, а это возможно только с помощью почти ежедневного обследования каждой клетки организма.

Конечно, при современном состоянии медицинской техники об этом можно только мечтать, но ведь мы живем в мире, в котором есть не только клятва Гиппократа и скальпели, чья формы сотни лет не менялась и сохранилась в исходном виде до наших дней. Мы ведь на себе испытываем Закон Мура; видим, как появляются первые настольные ДНК-секвенаторы; знаем не понаслышке, что такое генная инженерия, наконец! Так что через несколько десятилетий медицина приобретет совершенно другой облик. И в далеком 2050 году не мы будем ходить к врачу, а врачи миллиардами штук будут сидеть в нас, постоянно ремонтируя сдающие от старости клетки, следя за тем, чтобы мы не заболели.

Революция под названием «наномедицина» намечается уже сегодня. Оставим скальпели и пилы в ХХ веке! Новый век будет оперировать объекты, намного меньшие, чем кости и сосуды. И все это станет реальностью благодаря быстрому развитию биотехнологии, генной инженерии, нанотехнологий и наноэлектроники.

А для того чтоб ты знал, чего стоит ждать от врачей через лет 40-50, я расскажу о самых перспективных современных работах в области наномедицины.

Почти новый человек

Итак, начнем экскурсию в госпиталь второй половины ХХI века! Основным «лекарством» в эру наномедицины будут нанороботы – молекулярные машинки, способные на нехитрые операции. Вот, например, ты знаешь, как работает компрессор? Накачивает воздух в емкость под давлением. Простое устройство. А вот если его более сложный аналог сделать размерами с красную кровяную клетку и запустить пару миллиардов таких машинок в кровь, то ты сможешь обходиться без воздуха несколько часов.

Этот очень простой наноробот спроектирован ученым Робертом Фрайтасом. И если бы сегодня были такие инструменты, с помощью которых его можно было бы сделать, то дайвинг был бы одним из самых популярных видов спорта.

Назвали робота респироцитом, то есть клеткой, отвечающей за транспорт респираторных газов. Его ориентировочный размер - 1 микрон в диаметре. Этот сферический наноробот должен быть изготовлен из 18 миллиардов атомов. Оболочку механизма образует углерод с кристаллической решеткой алмаза.

Как я говорил выше, респироцит - простой гидропневмоаккумулятор, который, согласно проекту, может нагнетать внутрь себя 9 миллиардов молекул кислорода (O2) и углекислого газа (CO2). Позже эти газы выпускаются из респироцита под контролем бортового компьютера. Газы сохраняются под давлением около 1000 атмосфер.

Этот девайс, несмотря на простоту, будет запрограммирован на то, чтобы полностью выполнять функцию переноса газов, которую осуществляют наши родные эритроциты.

В проекте поверхность каждого робота на 37% покрыта 29160-ю молекулярными сортирующими роторами, которые, как насосы, накачивают или выпускают газы из внутреннего резервуара респироцита. Когда наноробот проплывает в альвеолярных капиллярах, давление кислорода в смеси с углекислым газом выше, поэтому бортовой компьютер приказывает сортирующим роторам нагнетать в резервуары кислород, выпуская CO2. И наоборот, когда устройство определяет, что находится в тканях, бедных кислородом, происходит выпуск кислорода и закачка углекислого газа.

При этом респироцит будет в 236 раз эффективнее эритроцита, так как кислород, переносимый им под давлением, занимает гораздо меньший объем. И это благодаря исключительной прочности алмазоида - наноматериала, позволяющего поддерживать внутри устройства такое высокое давление газов.

Чтобы ты представил себе, как это много - 236 раз, я тебе скажу, что пятикубовая инъекция пятидесятипроцентного раствора респироцитов в кровоток могла бы заменить всю кровь!

Искусственные эритроциты будут иметь сенсоры для приема акустического сигнала от врача, который будет использовать ультразвуковой передатчик для подачи команд роботам, чтобы изменять их поведение, пока они находятся в пациенте. Например, врач может дать команду респироцитам прекратить нагнетание кислорода и остановиться, а позже - дать команду о включении.

А для достижения с помощью респироцитов эффекта длительного дыхания нужно будет несколько раз провести гипервентиляцию легких (10-12 раз глубоко вдохнуть). И после этих манипуляций ты сможешь находиться без кислорода в течение часа.

Другой простой девайс будет кстати экстримщикам. Если ты порезался, как долго у тебя течет кровь и ты ходишь с пластырем? Несколько часов? А с помощью нанороботов, названных клоттоцитами, остановить кровотечение можно будет за несколько секунд.

Принцип действия этих наномашин тоже довольно прост. Знаешь, как останавливается кровотечение в твоем кровотоке? Тромбоциты собираются вокруг и выпускают нити фибрина, которые, словно сети, ловят клетки. Так постепенно рана затягивается, но процесс этот довольно длительный, и ученые решили его ускорить с помощью нанороботов.
Представь себе сферу диаметром 2-4 микрона, в которую впихнули тонкую сеть, состоящую из волоконной массы. Как только происходит кровотечение, данные об окружающем давлении поступают в бортовой компьютер, и механический тромбоцит выталкивает волокна в непосредственной близости от разрыва капилляра или сосуда.

Отдельные части волокон, контактируя с водой, находящейся в кровяной плазме, растворяются в ней, раскрываясь, подобно рыболовной сети. Красные кровяные клетки попадают в искусственную сеть, которую образуют все большее и большее число активирующихся механоцитов, и кровотечение останавливается.

Как клоттоцит будет определять, когда следует выбрасывать связывающую сеть? Для этого у него будут встроенные сенсоры давления газов. Как только первый клоттоцит будет выброшен кровотоком из раны на поверхность человеческого тела, сенсоры немедленно сообщат бортовому компьютеру об изменениях в парциальных давлениях газов и устройство передаст эту информацию соседям при помощи акустических импульсов. Остальные же роботы при получении этой информации немедленно активизируют сети.

При этом сети смогут останавливать кровотечение в 100-1000 раз быстрее, чем в случае, если бы оно останавливалось естественным образом, без присутствия в крови нанороботов.

Как видишь, простые приемы, реализованные на клеточном уровне, могут очень помочь медикам.

А что если мы придумаем что-нибудь посложнее, например, машинку, которая ловит микробов?

Заводные бактериофаги

Оказывается, что с рядом медицинских задач наше бренное тело справляется очень неплохо, правда, мы при этом несколько дней болеем гриппом, зарабатывая «бонусные очки» иммунитета, которые потом послужат нам верой и правдой при атаке аналогичного вируса. Но зачем ждать, превращая тело в «гриппозный полигон», если нанороботы могут за полчаса уничтожить все болезнетворные вирусы и бактерии? Причем - используя совершенно природный способ. Они их просто съедят.

Да, оказывается, это не только самый природный, но и самый эффективный метод борьбы с инфекциями. Спроектированный Робертом Фрайтасом, наноробот – микрофагоцит (microbivore) - работает в точности, как его органический аналог: все попавшие внутрь механизма бактерии и вирусы сначала тщательно перемалываются алмазоидными лезвиями, а затем перевариваются набором из 40 ферментов.

Благодаря специальным обратимым «присоединительным гнездам» бактерия прилипает к поверхности наноробота, как муха на липкую ленту. В самом нанороботе содержится несколько сотен телескопических наноманипуляторов, изготовленных по примеру «руки робота». Как только бактерии пойманы, они аккуратно собираются с поверхности робота манипуляторами и засовываются во входной порт на передней части устройства – рот микрофагоцита.

При этом «переваренные» роботом остатки бактерий представляют собой простые аминокислоты, мононуклеотиды, глицерин, воду, жирные кислоты и простые сахара, абсолютно безвредные для организма человека. Интересно, что наши естественные фагоциты работают хуже: после переваривания бактерий остается много вредных веществ, которые вызывают интоксикацию организма.

Вся операция по захвату и перевариванию вредоносного микроба, по идее, должна длиться не более 30 секунд.

Представляешь, что случится в крови, если туда запустить армию таких машинок? Терапевтическая доза (то есть минимальное количество, необходимое для лечения) нанороботов составляет 1-10 миллиардов штук. Но так как суммарный их объем – до трех кубических сантиметров, тебя не должно «раздуть» от такого страшного количества наномашин.

За 30 секунд миллиарды нанороботов захватят по несколько бактерий и с успехом их переварят.

Грубые арифметические подсчеты показывают, что в среднем через 30 минут, а в крайнем случае через 2 часа ты будешь полностью здоров.

Как ни удивительно это звучит, но энергию для работы микрофагоцит будет получать из твоей крови. Он будет вытягивать из нее основное топливо всех медицинских наноустройств - глюкозу. Она, взаимодействуя с кислородом в специальных реакторах, приведет в движение все механизмы и компьютеры робота. Так что, плотно подзаправившись чем-нибудь сладким, можно «зарядить батарейки» нанороботов на несколько дней.

Согласно теории, все терапевтические нанороботы соединятся между собой с помощью акустических передатчиков, которые будут транслировать всю информацию об их работе на узловые станции, размещенные в кабинете у врача или у тебя на кожном дисплее.

Получается, что у тебя в теле может находиться целая медицинская сеть, составленная отдельными компьютерами нанороботов. Например, если появилась новая разновидность вируса гриппа, ты скачиваешь по медицинской сети обновленный антивирус, и миллиарды наномашин внутри тебя тут же перестраивают свои молекулярные гнезда-липучки, для того чтобы те могли ловить вражеские микроорганизмы.

Майка для супермена

Лечение человека – не единственное направление деятельности наномедицины. Она занимается и другими, более интересными вопросами. Один из них - усовершенствование человеческого тела. Например, ты упал с девятого этажа. Что бы было с тобой в XX и начале XXI века? Скорее всего, ты бы разбился. Ну, в лучшем случае остался бы инвалидом. В конце XXI века человек, прошедший через имплантацию искусственной кровеносной системы - васкулоида, отделается легким испугом.

И это без всяких силовых полей, антигравитации и других похожих трюков. Все гораздо проще. Представь себе, что у тебя есть кусок алмаза с тебя размерами и что ты кидаешь его с девятого этажа. Ну, естественно, был бы у тебя такой кусок, ты бы его никуда не кидал. Но ведь это только иллюстрация, так что представь. Что будет с алмазом? Да ничего не будет!

А теперь вообрази, что этот кусок алмаза поместили внутрь тебя. Причем так, что ты можешь жить как раньше. Звучит фантастично, но это, как ты дальше увидишь, вполне возможно при соответствующем развитии наномедицины.

Несколько лет назад ученые задумались над вопросом: можно ли полностью заменить кровеносно-сосудистую систему человека одним сложным комплексом из нанороботов?

Конечно, сделать это будет довольно трудно, но не невозможно. Тем более что необходимо сконструировать только один рабочий экземпляр, а остальные благодаря методам автоматизированного молекулярного конструирования будут растиражированы за считанные дни.

Идея «робокрови» (roboblood) состоит в нанесении на внутреннюю поверхность всех кровеносных сосудов и капилляров человека плоских нанороботов-плиток из алмазоида. Соединения между нанороботами будут гибкими, поэтому живой сосуд, одетый в алмазную кольчугу из медицинских роботов, сможет сгибаться и даже расти дальше.

А в стрессовых ситуациях нанороботы будут плотно примыкать друг к другу, формируя алмазный скелет кровеносной системы. А так как капилляров и сосудов в теле очень много, все тело в моменты пиковой работы васкулоида приобретет необычайно высокую твердость.

Но кроме защитных функций, васкулоид сможет осуществлять более эффективный транспорт газов - одну из основных функций кровеносной системы.

Чтобы ты представил себе, насколько это будет сложное устройство, я приведу несколько чисел. Ориентировочно васкулоид включит в себя 500 миллиардов независимых нанороботов, работающих совместно. Масса его будет около 2 кг, рассеиваемая мощность – от 30 до 200 Вт. Базовым кирпичиком васкулоида предположительно станет двумерная оболочка площадью около 300 кв. м, состоящая из васкулоцитов – тех самых алмазных элементов. Для того чтобы в робокрови нормально происходила транспортировка клеток, нутриентов и газов, а также проводился обмен между кровеносными сосудами и тканями, будут предусмотрены специальные молекулярно-транспортные «стыковочные доки» в количестве приблизительно 24 миллиардов. И это не только танкеры, транспортирующие молекулы, но и роботы, ремонтирующие клетки.

Ты уже понял, что создать внутренний роботизованный скелет из алмаза будет совсем непросто. Более того, со значительными трудностями связан процесс имплантации его человеку.

Инсталляция васкулоида в теле пациента потребует полной анестезии. При этом основные платы васкулоида сформируют искусственную эндотелиальную оболочку сосудов, а затем циркулирующие жидкости выведутся васкулоидом из тела пациента, заменяясь нанороботами.

После всего изложенного у тебя, наверное, возникнет вполне определенный вопрос: зачем заменять замечательно функционирующую естественную кровеносную систему человека неизвестным искусственным органом? На этот вопрос есть несколько ответов. Так, например, ожидается, что система такой сложности будет особенно полезна врачам при лечении различных заболеваний. И, скорее всего, во второй половине XXI века применение васкулоида станет обычным приемом.

Если ты помнишь, примерно то же самое было при развитии компьютеров. В далеких 60-х никто не мог представить, что машины размерами с комнату можно будет сжать до размеров телефона, которым можно будет еще и фотографировать.

Возможности наномедицины воистину безграничны. С помощью наномашин можно будет даже приостановить старение тела. Для этого каждую клетку организма придется «взять на учет» и периодически проверять специальными нанороботами-ремонтниками, оснащенными наноманипуляторами, которые будут ее «чинить», оперируя уже отдельными молекулами клетки.

Но, к сожалению, воскрешать мертвых даже наномедицина скорее всего будет не в силах. В течение клинической смерти поддержать жизнь в пациенте еще есть шансы, пока жив самый главный орган - головной мозг. Но при смерти человека происходит потеря его структуры.

Даже если периодически записывать поатомную структуру головного мозга пациента, а потом восстанавливать его с последнего «чекпоинта», то это все равно будет не тот человек, который умер. Он не будет помнить отрезок времени, прошедший с момента «чекпоинта» до смерти. Конечно, можно будет сконструировать сложные системы мониторинга состояния головного мозга, для того чтобы как можно чаще «сохранять» его структуру. Проще разработать меры по предотвращению преждевременной смерти и смерти от несчастных случаев.

Можно реконструировать тело человека, снабдив его набором имплантов и наноробототехники, что позволит радикально продлить срок человеческой жизни и защитить людей от 99% существующих заболеваний. Но защититься настолько же эффективно от несчастных случаев вряд ли удастся.

В целом будущее поколение станет здоровее, моложе и сможет жить практически неограниченное количество лет. Но опасность случайной смерти останется всегда.

Воскрешать же мертвецов, пролежавших дни, годы или столетия в могилах - утопия. Этого не достичь даже с помощью самой развитой наномедицины. Без информации о строении головного мозга умершего нельзя добиться его возвращения к жизни.

Как ты понимаешь, чудес на свете не бывает. Поэтому быстрые преобразования в организме возможны лишь в определенных пределах, и не стоит ждать от наномедицины откровенных диковин, вроде полета в воздухе и выхода в открытый космос.

Зато, посмотри, что нас ждет - будущее практически без болезней и просто неограниченные возможности для взлома всей этой дребедени, которая будет плавать по нашим сосудам.

Иммунная система реагирует в основном на «чужеродные» поверхности. Размер наноробота так же играет при этом важную роль, как и мобильность устройства, шероховатость поверхности и ее подвижность. Вообще проблема биосовместимости, в принципе, не сложнее проблемы совместимости биоимплантантов. В некоторых случаях эта проблема может оказаться проще, чем ее привыкли представлять, так как многие типы медицинских нанороботов будут временно находиться в человеческом теле. Даже на сегодняшний день применение иммуноподавляющих агентов на период наномедицинского лечения может способствовать пребыванию в теле человека «незащищенных» роботов и выполнению ими своей работы без проблем.
Идеальный выход из этой проблемы - конструирование роботов из алмазоидных материалов. Такое алмазоидное покрытие («организованное», то есть нанесенное атом за атомом, с нанометровой гладкостью) будет иметь очень низкую биологическую активность и прочность алмаза. Благодаря физико-химическим свойствам алмазоидной поверхности и внешняя оболочка роботов будет полностью химически инертна.

Каждый молекулярный ротор имеет гнезда по окружности, конфигурированные под определенные молекулы. Находясь в окружении молекул, гнезда селективно связывают заданные молекулы и удерживают их до тех пор, пока они не окажутся внутри устройства. От «гнезда» их отсоединяет стержень, расположенный внутри ротора. Такие роторы будут спроектированы из 105 атомов. Они позволят создавать давление в 30000 атмосфер.

Роторы полностью обратимы, и поэтому могут быть использованы как для нагнетания, так и для выгрузки газов, воды и глюкозы. Каждый ротор имеет для присоединения молекул 12 гнезд, расположенных по длине окружности ротора.

Все присоединительные места, описанные выше, могут работать благодаря усилиям Ван-Дер-Ваальса и Кулона. Ученые предлагают ряд «механических» рецепторов для сортировки молекул. По сигналу с компьютера рецептор автоматически принимает форму нужной молекулы.

Некоторые футурологи предвидят появление накожных дисплеев как еще одного средства мониторинга за состоянием тела. Для организации экрана 6х5 см необходимо будет внедрить в кожу около трех миллиардов нанороботов, называемых «пиксельботами» (pixelbot), размерами 200-300 микрон. Обычные татуировки сохраняются десятилетиями, и нанороботы с таким же диаметром, как и частицы татуировочного пигмента, тоже смогут находиться в коже довольно долгое время.

Кроме кардиограммы, пульса и уровня холестерина в крови, пользователь сможет заодно посмотреть видеоклип или прочесть новости. Или послать другу sms.