2. Для получения новых источников энергии.
Есть микроорганизмы, которые живут без кислорода. Кислород им не нужен и даже вреден – это анаэробные микроорганизмы, самые древние обитатели нашей планеты, которые могут разлагать органические соединения без доступа к кислороду, при этом вырабатывая метан и водород. Сегодня водород – это второй энергетический биогенный субстрат, который привлекает всё больше внимания. А вместе метан и водород – альтернативные источники энергии. Например, можно объединить усилия аэробных и анаэробных организмов, снизить стоимость очистки сточных вод и одновременно с очисткой получать энергию. Например, в Москве на Курьяновоскй станции очистки сточных вод одновременно с очисткой получают биогаз, его можно использовать как энергию, например, на тепловых станциях. В Хельсинки на городских очистных сооружениях около 50% энергетических затрат на очистку воды покрывается за счёт использования метана, то есть биогенного по происхождению газа. Это даёт колоссальный экономический эффект.
3. В сельском хозяйстве:
Следующая сфера – это генно-инженерная деятельность в c/х.
— для защиты растений от вредителей и болезней
— для производства кормовых добавок (регуляторов роста, белков), что позволяет ввести в организм животных не готовые белки, а «кирпичики», их составляющие; и тогда продукция, полученная с помощью микробиологического синтеза, будет этими «строительными блоками», что очень сильно снижает стоимость производства с/х продукции (мяса).
— для создания генетически модифицированных сортов растений с необходимыми пищевыми или технологическими свойствами (и генетическая модификация животных). Наиболее вызывающий споры аспект применения генной инженерии. Для начала берётся небольшой фрагмент растения (эксплант листа или стебля, что в природе не заражается агробактериями, которые живут в земле)), чаще всего это какой-то модельный объект (табак, кукуруза, салат и т.д.), и окунается в суспензию с агробактериальными клетками, которые содержат интересующий исследователя ген. С помощью естественного механизма гены переходят в растительный эксплант, и полученный объект переносится на специальную микросреду с микроэлементами и гормонами растительного происхождения. Происходит формирование делящейся ткани и впоследствии происходит развитие полноценного трансгенного растения. Это самый популярный механизм сегодня.
Для чего нужны трансгенные растения? В первую очередь, чтобы сохранить урожай, до 50% не трансгенного картофеля погибает от вредителей (колорадского жука), что является значительным ударам по экономики, в частности, по ценам; поэтому в первую очередь в США и в других странах используют генно-модифицированный картофель, сою, кукурузу. Трангенные растения могут быть у стойчивы и к гербицидам: например, им вводят ген от бактерий, который кодирует токсин, используемый для опрыскивания не трансгенных растений. То есть, по сути, ничего не меняется – что мы внешне опрыскиваем растение, что растение изнутри вырабатывает этот токсин после генетической модификации. Можно получить растения, не только устойчивые к вредителям, химическим обработкам, но и растения с улучшенными свойствами, с повышенным содержанием витаминов или изменённым составом жирных кислот. Рис и морковь, например, с повышенным содержанием бета-керотина, который в организме человека превращается в витамин А. Дефицит витамина А может привести к слепоте, поэтому разработка таких организмов является актуальной.
Во-вторых, это решение проблемы голода. В настоящее время в мире от голода страдает примерно 800 млн. человек. Глобальный спрос на продукты (прогноз до пандемии), как посчитали, увеличится в 3 раза. Но урожайность основных с/х культур, которые используются сейчас, уже не может быть повышена традиционными способами селекции.
Создание генетически модифицированных растений (ГМР)
Термин ГМО или ГМР появился в самом конце 1970-х (1979 г.).
Классическая селекция |
Генная инженерия |
Опирается на естественное разнообразие организмов, которое созданы тысячелетиями эволюции; именно в разнообразии диких предков классическая селекция берет биоматериал для культурных сортов. Природа, как самый строгий селекционер, отобрала наиболее устойчивые и органичные формы, учитывая миллиарды факторов. Селекционер-человек вслед за природой отбирает то, что необходимо ему для получения новых сортов, то есть работает с готовым биоразнообразием. Есть специальные исследования Центров происхождения культурных растений. Например, Вавилов в начале XX века создал бесценную, уникальную коллекцию – настолько ценную, что в блокаду Ленинграда ученые буквально ценной собственной жизни сохранили эту коллекцию. |
Опирается на ограниченное число организмов, используются только особи с коммерчески-значимыми признаками. Нередко привитые признаки делают растения агрессивными по отношению к окружающей среде. Например, если способность противостоять сорнякам вызвана генетической модификацией может вылиться в способность убивать растения и животных вокруг себя. А способность выдерживать больших дозы гербицидов может сделать это растение супер-сорняком, который нельзя будет уничтожить стандартными дозами. Подобная опасность важна для тех с/х растений, у которых много диких предков, например, сложноцветные, паслёновые, гречичные, маевые, и, если создана генетическая модификация с возможностью перекрёстного опыления, то этот генно-модифицированный объект начинает распространяться. |
Результат достигается в течение продолжительного времени за счет отбора форм в череде поколений; |
Результат достигается в течение короткого времени без отбора форм |
Возникающие формы проходят отбор при взаимодействии с другими видами; |
Создающиеся формы не проходят отбор на возможные взаимодействия с другими видами |
Созданные объекты производятся в количествах, определяемых человеком и зависящих от природных условий |
Неясны возможные направления эволюции |
|
Созданные объекты производятся в промышленных масштабах. Например, в Британии были созданы новые сорта кофейных деревьев, плоды которых не содержат кофеин – коммерчески-выгодное решение на рынке, так как 1/5 производства кофе – это получение кофе без кофеина. |
.
Первое генно-модифицированное растение появилось на рынке в 1996 году. Сегодня на мировом рынке около 100 видов генно-модифицированных продуктов (и те, которые можно использовать в пищу, и технические как табак и хлопок).
Самое распространенное генно-модифицированное растение – это соя, источник растительного белка (98% от всех генно-модифицированных растений). На сегодняшний день 68% процентов сои генно-модифицировано.
На земле всего 1.3 млрд гектаров (примерно 10% поверхности земли) – это пахотные земли. 191,7 миллион гектаров занимают генетически модифицированные растения (данные на 2018 год).
В США выделено 75 млн. га выделено для генно-модифицированных растений. Далее по убыванию – Бразилия, Аргентина, Канада, Индия, Испания. В Европе более жесткие правила, чем в США, но тем не менее ЕС выдаёт отдельные разрешения на выращивание генетически модифицированных сои, кукурузы и хлопчатника. В России с 2016 года действует закон о запрете на выращивание и разведение генетически и инженерно-модифицированных растений и животных, но не на ввоз. Исключение – только для научных исследований.
Трасгенофобия – паническая боязнь встретить в пище ГМО. Например, в университетской лаборатории получила новое трансгенное растение, которое решили зарегистрировать (не в РФ, так как у нас запрет), например, кукуруза, устойчивую к стебельковому мотыльку. Перед государственной регистрацией специализированный экспертный совет рассматривает подробное досье на генетически-модифицированное растение, а котором даётся полное биологическое описание. В досье есть детальная молекулярная характеристика, какая конструкция встраивается в геном растения, описывается растение-реципиент. Дальше дается характеристика растения-донора генов, является ли этот фрагмент патогенным, и подробно описываются продукты экспрессии генов. Также включаются данные о том, как это растение выращивается, какие новые преимущества, какие преимуществ нет в сравнении с исходными растениями.
Когда мы говорим, что растение не является опасным, то это не всегда правильно, так как исходное растение без генетической модификации тоже может быть опасным – например, ядовитым. То, что возникло в результате генетической модификации должно быть не опаснее исходной формы (то есть относительно, а не совершенно неопасный). Такое досье формирует компания, которая является производителем, потому что только она обладает необходимой информацией.
Если генно-модифицированное растение попадает на прилавок – проводят ли его тесты, какие-то испытания? Например, в отношении генно-модифицированной кукурузы оцениваются ближайшие риски (они должны быть минимальными или средними). Это всё достаточно длительные эксперименты, поэтому, когда происходит регистрация растения, о биобезопасности можно говорить только здесь и сейчас. В мировой практике в качестве принципа допуска генно-модифицированных растений на рынок используется методика оценки «от случая к случаю». У вас есть новый организм с новыми признаками, исследования здесь и сейчас риска не выявили, а дальше происходит монетаирование, и, если будет доказан вред от употребления, то этот продукт с рынка будет отозван.
Человечество съело уже миллиард тонн генетически модифицированной еды, потому что риски оцениваются по методу «от случая к случаю».
Маркировка товаров с ГМО
Можно ли каким-то методом выделить трансгенный продукт, нанести маркировку на основании независимых исследований? Методы выделения ГМО позволяют выделять либо трансгены, либо связанные с ними маркеры, либо регулирующие последовательности ДНК.
ПЦР – цепная полимерная реакция, с ее помощью можно идентифицировать генные модификации, если 1) продукт не подвергся тепловой обработке; 2) вы знаете, что искать. Выявить трансген становится все сложнее (несмотря на то, что ПЦР работает на коротких участках ДНК), чем больше переработан продукт, так как комплексно-обработанные продукты содержат повреждённые ДНК. Поэтому маркировка «не содержит ГМО» – не поддается доказательству, каким бы ни был чувствительным ваш тест (по двум причинам выше).
В РФ: с декабря 2007 года вступила в силу поправка к Закону РФ «О защите прав потребителей». С декабря 2018 года страны Таможенного союза обязались размещать на продукции крупный знак «ГМО», если содержание генетически модифицированных компонентов (в РФ - «от ингредиентов») в них превышает 0,9% – в РФ это было уже с 2007 года. Если в килограмме колбасы используется 200 грамм сои, то из этих 200 грамм – 0.9% может быть ГМО. То есть 0.9% от компонента продукта, а не от самого продукта. Если меньше 0.9% – покупателя информировать не нужно.
Сейчас в РФ официально разрешено использовать 17 видов 5 с/х культур: картофель, кукуруза, соя, сахарная свекла, рис. Нужно учитывать, что эти компоненты могут быть добавлены 30-40% продуктов на российском рынке содержат ГМО компоненты.
Сферы использования биотехнологий:
В сельском хозяйстве:
– создание генетически модифицированных животных с целью получения востребованных свойств. Трансгенные животные – это животные, в которые введена чужеродная ДНК. Сегодня, например, распространено производство нужных белков при генетической модификации свиней и коз. Из животного извлекают яйцеклетку, вставляют в генетический аппарат под контроль белка молока животного и чужеродных генов, потом яйцеклетку оплодотворяют и возвращают в организм. И часть потомства будет давать молоко, которое содержит нужный белок. Таким образом выведены коровы, которые дают молоко с человеческими белками, которое можно использовать для искусственного вскармливания младенцев и ля получения неаллергичного детского питания. Сегодня в России и Беларуси есть козы, которые производят три грамма лактоферрина человека на литр молока, это очень ценный продукт.
В пищевой промышленности:
– для производства ценных биологически активных веществ;
– для производства пищевых добавок.
Например, для производства заменителей естественных продуктов.
Аспартам – синтетический подластитель, который в 200 грамм слаще сахара. В состав аспартама входит аминокислота фенилаланин – есть болезнь фенилкетонурия, когда у детей нет фермента, ответственного за распадение фенилаланина. Он накапливается в организме, и дети страдают умственной отсталостью, но специальная диета с раннего возраста может позволить не развиться симптомам.
Дело в том, что в нормальном организме есть две копии гена, которые отвечают за синтез фермента, ответственного за распадение феналаланина. Но у 2% здоровых людей (не больных врождённой фенилкетонурией) копия только одна, и при превышении дозы фенилаланина проявляются симптомы, схожие с симптомами врождённой болезни.
Фенилаланин – составная часть всех белков вообще, но если происходит превышение дозы или если человек относится к тем 2%, которые имеют одну копию гена, возникают проблемы. В США признавалась норма 50 мг. на вес тела, а при 34 мг. у этих 2% людей уже возникало расстройство.
Если вы злоупотребляете жевательной резинкой и сладкой водой, и у вас необъяснимые головные боли и переутомляемость – посмотрите, используете ли вы товары с фенилаланином.
В промышленности:
– производство биожиров. масел, современных видов топлива, биополимеров, тонкое литье, добыча полезных ископаемых).
Генетически модифицированные бактерии можно использовать для извлечения руд металлов. Ещё в XVIII веке в Испании умели извлекать медь из рудничных вод, но сам механизм оставался для науки тайной. И только в 1922 году выделили микробиологическую культуру, способную переводить металлы в руде из связанного состояния в свободное, то есть добывать из руды чистые металлы, а ещё через ¼ века объяснили получение из кислых шахтных вод. Выделенные при этом тионовые бактерии – серобактерии, которые получают энергию за счёт окисения серы и восстановления неорганических соединений – могут выщелачивать металлы из руды, рудного концентрата и даже горных пород. 15% медных рудников в мире используют такие технологии. А литотрофы («пожиратели камней») – могут переводить из связанного состояния необходимые металлы в свободные. Лозунг: «больше металлов с гектара». Очень интересны методы метаноподавления, в основе которых лежат разработки отечественных учёных, используются для снижения концентрации метана в горных шахтах, взрывы которого представляют большую опасность для горняков (в данный момент решается проблема транспортировки метаноокисляющих бактерий)
В технике:
– создаются для систем, основе диффузоры акустических биосенсоры макромолекул и др.;
Применяются генно-модифицированные объекты, например, графитовые электроды обычных литиевых батареек, как известно, непропорционально велики для той энергии, которую они запасают. Чтобы сделать электроды менее громоздкими, исследователи генетически модифицируют вирусы, которые имеют форму трубочки, белковая оболочка которых может захватывать металлы кобальта и золота. Плёнку полимерного электролита помещают в раствор вирусных частиц, а потом в жидкость, которая содержит атомы металлов. В результате получается такой тонкий лист, покрытый молекулами оксида кобальта и атомами золота, и батарейка с такими электродами может запасать в 3 раза больше энергии, чем обычная. Сейчас создаётся самособирающаяся батарейка на базе вирусов.
В медицине:
— для изучения молекулярных механизмов нормальных и патологичесих процессов;
— для получения лекарств и вакцин, диагностических и лечебных препаратов, новых средств лечения.
Для получения большого количества диагностических и лечебных препаратов, в основе которых лежат молекулярные модели нормальных и патологических процессов. Например, методика использования «нокаутных животных»: выбивают какой-то фрагмент ДНК и изучают роль эго фрагмента в физиологических процессах. Есть «нокаутные» мыши, которые очень быстро размножаются, и на них тестируют вакцины и лекарства. Понятно, что само производство активных веществ (антибиотиков, ферментов, гормональных препаратов) происходит при генетических модификациях, и одним из последствий этого является не только вооружение медицины новыми возможностями, но и при бесконтрольном применении к возникновению ядро-генных заболеваний («ярос» - врач), то есть вызванных вмешательством врача. Распространение аллергии в современном мире связывают с широким применением энзимов в чистящих средствах, стиральных порошках.
Основные проблемы, разработкой которых занято сейчас научное сообщество
Доставка генов к клеткам-мишеням организма. То есть как можно обработать временно извлечённые из организма клетки и вернуть их в нужные места организма.
Доставка нуклеиновых кислот внутрь клеток (ДНК, РНК). Разрабатывают методы стабилизации нуклеиновых кислот, чтобы можно было их вводить непосредственно в кровяное русло, а не внутрь клетки. Потому что доставка РНК, ДНК внутрь клеток – это очень перспективная технология, здесь можно использовать микроинъекции генов в клетки, но нужно преодолеть проблему клеточной мембраны. Можно заблокировать или разрушить ген, работа которого связана с заболеванием. Или, наоборот, заставить работать ген, если отсутсвие его работы связано с заболеванием. Выделить гены, которые блокируют клеточное деление как способ борьбы с онкологией. Или вызвать смерть клеток – апоптоз (тоже средство раковой терапии).
Блокировка или разрушение вредного гена, либо блокировка продуцируемой им РНК с помощью антисмысловых ДНК или РНК.
Введение нового активного гена или регулятора активности генов.
Введение генов или их комплексов, блокирующих клеточное деление или вызывающих смерть клеток.
– для изменения климатических показателей. Относят к экзотическим направлениям использования генных модификаций. Пример: генетическая модификация бактерий, выделенных с поверхности листьев растений средней полосы позволила создать сноумаг – стимулятор снегообразования, который дешевле традиционных препаратов из серебра. Сейчас фактически складывается новый рынок снегообразующих препаратов биогенного происхождения в Европе и Северной Америке – снегообразование для проведения спортивных мероприятий.
– в лесотехнической промышленности.
В последнее время биотехнологические корпорации стали переносить свои капиталы в лесотехническую промышленность, создавать трансгенные деревья. Две цели: 1) снижение лигнина в древесине, который нужно удалять химически при производстве древесины, чтобы сделать процесс производства бумаги более экологичным и экономичным; 2) ускорение роста древесины (больше древесины на кв. метр) с одновременной устойчивостью к насекомым-вредителям и химической обработке. Устойчивость к насекомым позволяет вырастить качественную древесину и тоже получить экономическую выгоду. Но если относиться к лесу, как к набору отдельно стоящих деревьев, то такие цели оправданы. Но лес – это прежде всего экосистема. Например, в Германии создали генно-модифицированные тополя в лаборатории, чтобы они не цвели. Но как только их высадили на улицы городов – они зацвели. И это тот самый непрогнозируемый эффект манипуляций на уровне молекул, обычно на экране компьютера, и это характерный пример современного сращивания технологии и науки. Пока вы не получите организм в реальности, никакое его моделирование знаний о целостности с экосистемой не даёт. А теперь представьте, что пыльца трансгенной сосны может переноситься с ветром до 6 тыс. км., поэтому государственные законы о запрете выращивания на их территории генно-модифицированных растений бессмысленны. И то, что человечество сегодня испытывает, многими экспертами оценивается как состояние незнания с повышенными рисками. Риск выражается в возможности недостижения искомого результата или получения ранее непрогнозируемых эффектов.
Особенности биотехнологии
— Биотехнология соединяет сферу научной и промышленной деятельности.
— Появление биотехнологии существенно изменяет образ биологии как науки, в биологию проникает метод конструирования объекта.
— Результатом конструирования является самодостаточная, саморегулирующаяся система биологическая и искусственная одновременно.
То есть решение проблем генной инженерии выходит за пределы конкретной науки. Биотехнология создают искусственный мир, в котором живёт человек, потому что качественно меняются способы воздействия на мир, и уже живое становится объектом конструирования и проектирования (в том числе человек).
Европейской культуре присуще представление о познании как обязательно связанном с практическим воплощением этих знаний в технологии, соответственно внешнее в жизнь ради конструирования под определённые свойства происходит сегодня не так грубо, как раньше. В XX веке воздействие на жизнь затрагивает молекулярные основы жизни, и как здесь не вспомнить Гёте, «Фауст»:
Фауст у Гёте:
Кто хочет что-нибудь живое изучить
Сперва его всегда он убивает,
Потом на части разнимает,
Хоть связи жизненной, - увы! там не открыть.
Казалось бы, что XX век с системным подходом фиксирует значимость целостности, и одновременно с пафасом улучшения работает на разрушение целостности. С тех пор биотехнологические корпорации сделали генетическое улучшение как будто самоцелью. Биотехнология как фактор культуры специфична в том, что, овладевая ею, человек начинает выступать в качестве творца реальности. Завоевание природы достигает наивысшей точки – создание улучшенной биологической реальности. Вот эта прогрессистская идея улучшить всё и вся приводит к тому, что появляется генетическая марихуана, кайф от которой в 100 раз круче. Зачем?
Роль химических молекул в размножении велика, но исследования молекулярного уровня не даёт знания об организме в целом, о том, как на более высоких, надорганизменных уровнях будет происходить эволюция.
Сегодня задаются вопросом, если иной путь развития науки, не связанный с переходом знаний в технологии. Да, есть предложения, связанные к возражению к прежним методам познания природы, связанных с чувствованием, озарением, просветлением («лаборатория» - дословно – зал для молитв). То есть в науке предлагают отказаться от позитивистских и постпозитивистских способов познания и практиковать самоограничение (предложить науке ограничивать себя в действии в зонах высокой неопределённости). Объектом биотехнологии является живое, и вот это познавательное отношение к миру – применить то, что знаем – сегодня переносится на человека.
Проблемы применения биотехнологии – ограничение ученых
При манипуляциях с наследственными кодами при их промышленном применении имеется тройное ограничение: со стороны жизни в целом, эволюции, человека. Генная инженерия как основа биотехнологии нарушает основной принцип эволюции - принцип возникновения и развития жизни во всей ее целостности.
Еще недавно считали, что причина большинства проблем – отсутствие знаний, неполнота знаний; но сегодня человечество активно действует в условиях неполноты знаний. Если мы не можем предсказать последствия своих действий, то это не означает, что человечество себя ограничивает. Это особенность западной культуры – деятельностное знание – познать предмет, это значит сначала его воспроизвести, смоделировать, видоизменить и получить на практике. То есть естественное начинает отходить на второй план: это проявляется в идее модификации половых клеток, генома, в улучшении человека, в борьбе с наследственными заболеваниями путём генетической проекции соматических клеток. То есть познание, превращённое в технологию, ведёт к появлению нового мира, который берёт старый как материал и перекраивает его под какие-то цели. Но ключевой момент – это не только эффективность, но и безопасность.
Человечество получило возможность оказывать влияние на процессы, определяющие суть и свойства живой материи, в том числе биологическую природу человека.
Проблемы биобезопасности государства
1. Высокий научный и технический уровень фундаментальных биологических исследований в стране. Проектный, грантовый способы финансирования делают науку более практикоориентированной, приводит к изменению пропорций между фундаментальной и прикладной наукой, которое мы сегодня фиксируем. Но биология – особая область, в которой нельзя создать заранее контрагенты для модификаций возбудителей заболеваний. При проявлении каких-то болезней или вредных генетических агентов – Covid-19, например – необходим высокий уровень фундаментальных биологических исследований в стране, чтобы быстро найти препарат. И коллизия многих стран в том, что нет возможности одновременно поддерживать и фундаментальную, и прикладную науки (последние прикладные исследования необходимы здесь и сейчас). Поэтому для каждой страны эта пропорция есть основание биобезопасности государства.
2. Экономическое развитие на базе «высоких» генных биотехнологии в сельском хозяйстве, медицинской и пищевой промышленности, технике. Такая страна находится в зоне высокой конкуренции. Если страна такими технологиями не обладает, например, идя на поводу у массового желания населения избежать жизни в среде генно-модифицированных растений, то такая страна неизменно и быстро будет отставать и в конце концов попадёт в полную зависимость от высокоразвитых стран.
Однако биотехнологии без этико-правового контроля – не только опасны с точки зрения биобезопасности, с точки зрения прямых последствий, но и с точки зрения этики, разрушения традиционных систем ценностей общества – например, разрушение отношений родительства. С одной стороны, быстрое развитие, с другой – риски. Отследить лаборатории, в которых происходит генетическое редактирование, нельзя (в отличие от атомных электростанций, где большой штат и масштабы). В США вообще продаются наборы для подростков, мини-лаборатории для изменения генов.
3. Обеспечение биологически возобновляемыми источниками энергии. Это пункт касается энергонезависимости государства. Вспомните зелёный энергетический квадрат (зелёная экономика) – человек приходит к тому, что пора прекращать тратить всё то, что накоплено на земле. И в этом случае источники энергии, которые даются, например, при очистке сточных вод, являются пополняемым ресурсом. Все современные источники энергии, кроме атомной, это результат деятельности природы – естественные процессы ведут к образованию нефти, газа – это все результат деятельности живого, а мы это бесконтрольно расходуем. Поэтому нам очень интересны альтернативные источники энергии.
4. Возможности противодействия биологическому оружию. Непредсказуемо возникшие или вышедшие из-под контроля, или сознательно подготовленные биологические генетические агенты, которые могут поражать живое, в том числе человека, и в случае сознательного применения становиться биологическим оружием. Ни атомное, ни водородное оружие не сравнится с биологическим, потому что изготовление биологического оружия не требует больших денег и сложной инфраструктуры. Паритет ядерного потенциала можно определить по количеству ядерных установок, то есть через уровень развития инфраструктуры. А создать биологическое оружие может малая группа людей, вплоть до одного генетика. В Америке уже продаются наборы для подростков для генетической модификации бактерий – происходит вовлечение обычных людей в производство научных знаний. Бессмысленно решать эту задачу отдельными государствами – вспомните 600 км, на которые ветром переносится генно-модифицированная пыльца.
Лекция от 31 октября.
Продолжение темы 12.
Нанотехнологии (от греч. νανος - гном, карлик, одна миллиардная доля).
«Нано» означает изменение масштаба в 10-9. 1нм = 10-9 м.
Сегодня довольно сложный материал, потому что мы будем говорить о невидимом. О нанотехнологии и нанонауке. Название возникло из добавления к терминам приставки «нано» – она означает, что масштаб меняется в миллиард раз. То есть одна миллионная привычного нам миллиметра. В сто тысяч раз меньше, чем ваш волос.
Один нанометр можно умозрительно представить как размер диаметра земли и диаметра шарика пинг-понга. Эритроцит будет размером с Колизей, площадь поперечного среза волоса будет больше территории княжества Монако. Чтобы наглядно представить соотношение, можно использоваться сравнением. Смотрим слайд с картинками.
Самая маленькая величина – один ангстрем, это 10-10 степени метра, это размер одного атома водорода, самого маленького атома.
К предмету нанонауки принято относить размеры от 1 до 100 нанометра. Верхняя граница нанообласти – минимальные элементы в больших интегральных схемах, которые работают в полупроводниковой компьютерной технике, а 1 нанометр точное соответствие размеру белковых молекул. Радиус знаменитой белковой спирали молекулы ДНК тоже равен примерно1 нанометру.
Один нанометр – примерно размер всех белковых молекул.
С чего все началось?
«There's Plenty of Room at the Bottom»
1959 год в калифорнийском университете на рождественских вечерах лекционных прозвучала лекция Ричарда Фейнмана. Он получил Нобелевскую премию по физике (1965).
В лекции «Там внизу еще много места», «внизу» – значит в мире очень малых размеров, рассказывалось о возможности манипулировать отдельными атомами для того, чтобы создавать объекты с необычными свойствами. Он обратился к миру атомов, структуре. Говорил, что нанотехнологии могут обеспечить будущее.
Еще в 19-м веке ученые имели дело с нанообъектами, с частями клетки, хотя так их и не называли. Фейнман фактически в этой лекции убеждал физиков заниматься биологией. Ведь организмы состоят из клеток, а клетка всю жизнь работает с нанообъектами, собирая из атомов молекулы сложных веществ. То есть живая клетка, ее структура, функционирование демонстрируют и наноуровень и нанотехнологию. Фейнман продемонстрировал феноменальную прозорливость. Хотя его лекция называлась «приглашение в новую область физики», он убеждал физиков заниматься биологией.
Вспомните, что особенность науки 20 века – междисциплинарность. Он задал вопрос: почему нельзя разместить все 24 тома энциклопедии Британники на кончике иглы? Можно, нужно записать каждую ее букву отдельными атомами. Как это сделать? Есть методы. Для этого нужны электронные микроскопы. Физика допускает возможность манипулировать отдельными атомами. Физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле – устремленность человека к тому, чтобы применять знания на практике, это ключевая идея науки 20-го века.
Человек начал подражать природе, собирая из нее все. Это ключевая идея нанонауки и нанотехнологии.
Фейнмана посчитали умозрительным теоретиком, почти философом. Его мысли не сильно повлияли на развитие каких-либо практических направлений исследований.
А термин «нанотехнология» впервые был употреблен в 1974 году японским физиком и инженером Норио Танигучи. On the Basic Concept of «Nano-Technology» (см слайд), который определил нанотехнологию как технологию производства, позволяющую достигать высокой точности и ультромалых размеров, порядка одного нанометров.
Но отцом нанотехнологии в современном смысле считается вот этот человек, смотрим слайд, Kim Eric Drexler. Директор института «Форсайт». «Engines of Creation». Под его влиянием нанотехнологии в 1980-е и 1990-е годы стали называть созданием устройств из отдельных молекул. Например, миниатюрных нанороботов, которые плавают по кровеносной системе, находят их и чинят. При этом изначально в 80-е, 90-е годы под нанотехнологией понимали область науки, но в 1986 году (см слайд) он предложил создавать молекулярные устройства, молекулярные машины. И книга его, «Молекулярные машины созидания: грядущая эра нанотехнологий» обозначала разные подходы к нанотехнологиям. С одной стороны он говорил, что нужно синтезировать достижения разных наук: физики, химии, биологии, как наук. А с другой стороны, предлагал обратиться к деятельности промышленных корпораций, академических учебных центров, соединить усилия, чтобы создать такую технологию производства, которая бы ориентировалась на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной структурой.
***«Для того, чтобы решить проблему, которая никогда прежде не решалась, необходимо приоткрыть дверь и шагнуть в неизвестное. Необходимо представить себе возможности, которых в настоящий момент может не быть. Скорость развития науки определяется не тем, как быстро мы фиксируем наблюдения, но тем, насколько быстро мы можем найти или создать то, что мы можем наблюдать. То, что мы сегодня называем научным знанием есть лишь скопление неких предположений, верных или неверных с той или иной долей вероятности. Какие-то из них более точны, какие-то менее, но не одно не является верным абсолютно»***.
Термин технонаука говорили, когда упоминали об особенностях наукb 20-рубежа 21 века. Это процесс сращивания, получения и применения знаний. Также как когда создается ГМО, чтобы понять, какой после моделирования с молекулами на экране компьютера будет целостный объект – мы одновременно должны объект создавать и изучать; уже нет такого: изучили, а потом начинаем знание применять.
Применительно к миру нанообъектов, наноразмерных систем, Дрекслер провозгласил, что мы занимаемся целенаправленным строительством снизу вверх, чуть позже об этой особенности нанотехнологии еще поговорим. Отмечал, что нанотехнологии сотрут грань между живым и неживым миром. Уже в 1997 году он объявил, что он фактически не занимается футурологией как его обвиняли в художественном полете мысли, а занимается фактически прогнозированием.
На сегодняшний день мы переходим не просто к целенаправленному изменению мира, а планированию нового мира. Дрекслер придумал вариант конца света с участием ассемблеров: если выйдут из-под контроля человека наноустройства, и серая слизь поглотит все на Земле. В последней части фильма «Матрица» агент Смит говорит, что может заполнить своими клонами Землю – вот это тот случай, когда созданный человеком объект может самокопироваться. Это напоминает описываемый Дрекслером процесс поглощения серой слизью. В последней части фильма агент Смидт говорит, что может заполнить своими клонами Землю, как заполнил Матрицу. Созданные человеком объекты фактически самокопируются.
В фильме «Через тернии к звездам» описана биомасса, которая способна поглотить всю органику. В повести Кларка «Космическая Одиссея» 2010 в результате действия репликатора вся планета Юпитер преобразуется за короткий срок. «Ночная погода», «Дикие наномашины», Станислав Лем «Осмотр на месте», видеоигра «Серая слизь» 2015 года и т.д. – этот сюжет, где мы разрушим грань между живым и неживым, и неживое наполнит всю планету. Фантастический сюжет. То, что сказал Дрекслер – как раз привлекло внимание к нанотехнологиям. Но он всех успокоил, что это очень далекая перспектива и этого не стоит бояться. Финансирование фильмов такое внушительное из-за смелости футурологических прогнозов.
Слайд. Приведены понятия. Обычно в литературе используются как синонимы друг друга.
Но есть процесс получения знания, а есть прикладные исследования, но все они внутри нанонауки происходят. Разорвать научный и технологический этап работы с объектами в наноразмерных состояниях просто нельзя. Вспоминаем диаметр – до 1 нанометра. Появляются тем не менее новые потребительские свойства. Внимательно смотрим на определения.
Нанонаука – междисциплинарная наука, относящаяся к фундаментальным физико-химическим исследованиям объектов и процессов с масштабами в несколько нм. Разорвать технологический и научный аспект просто нельзя.
Нанотехнология – совокупность прикладных исследований нанонауки и их практических применений в технологии создания объектов, потребительские свойства которых определяются необходимостью контроля и манипулирования отдельными атомами, молекулами, надмолекулярными образованиями.
Нанотехнология – совокупность технологических методов и приемов, используемых при изучении, проектировании и производстве материалов, устройств и систем, включающих целенаправленный взаимодействием составляющих их отдельных наномасштабных элементов (с размерами порядка 100 нм и меньше как минимум по одному из измерений), которые приводят к улучшению, либо появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов (это определение с официального сайта РОСНАНО).
Обращаем внимание на:
- масштаб;
- наноэлементы должны обуславливать новые свойства (работа для достижения каких-то новых качеств объекта);
- междисциплинарный характер;
- речь идет о производстве, проектировании и использовании;
- Главная цель нанотехнологии – практическая, производство товаров, увеличение прибавочной стоимости – коммерциализация это вообще одна из особенностей науки 21-го века.
Посмотрим на историю.
Чаша Ликурга (IV век, Рим), стекло +металлические наночастицы (Ag и AU)
Каждый кристалл размером 70 нано метров, стекло может менять цвет в зависимости от источника освещения с зеленого на красный и в зависимости от того, какая жидкость наливается в этот сосуд. Эту чашу сделали еще римские стекловары. Стенки каждого отверстия содержат частицы золота и серебра. В 1862 году в музее Виктории Альберта в Лондоне выставили эту чашу. Красивый рельеф украшает поверхность. Это сцена гибели фракийского царя Ликурга, жившего примерно в 800 году до нашей эры, у которого был дерзкий характер. Он прогнал Бога виноделия Диониса и принялся нападать на его почитательниц. И вот нимфа Амбросия обратилась к богиням земле Дее, та раскрыла недра, нимфа исчезла, и стала ласковым голосом Ликурга выпить. Царь выпил и ошалел, напал на свою мать, вследствие чего стал добычей Диониса, сатиров, которые в виноградной лозе замучили его до смерти.
Зеленый цвет кубка – в отраженном свете, красный – в проходящем насквозь. Цвет менялся от наполненной жидкости. Римляне умели использовать наночастицы при создании произведений искусства. Когда жидкость и свет наполняют кубок, происходит взаимодействие с электронами атомами золота или серебра, они вибрируют и вот цвет меняется.
Оригинал был чувствителен к соли, говорят, использовался для определения яда. Примерно также работают в 21 веке портативные тестеры. В 2012 году в Массачусетском универе ученые предложили использовать технологии на выявление патогенов в анализах слюны или мочи, опасные жидкости при проносе их на борт самолета. Они сделали химический тестер – пластинку, где находится металл в наносостоянии, стенки каждого отверстия содержат частички золота и серебра, поверхностные электроны которых являются сторожами веществ и изменяют цвет пластинки, будучи настроенными на определенные индикаторы.
Еще пример: Средневековые витражи (Notre-Damede Paris). В стеклах есть мельчайшие частички металлов.
Поближе к современности. Наши глаза – оптические системы. Главный элемент – хрусталик. Это линза из жидкокристаллического вещества и минимальные объекты, которые мы можем разглядеть с помощью естественного оптического прибора – 1 десятая миллиметра. Чтобы разглядеть что помельче, нужно увеличить усилия и использовать оптические линзы.
Одна из разновидностей прибора для усиления органов зрения - Оптические микроскопы.
Правило оптической техники (1873 г): минимальные объекты или различаемые детали рассматриваемого объекта не могут быть меньше, чем длина света, используемого для освещения. Независимо от того, какие линзы мы используем в микроскопах, разрешающая способность таких микроскопов ограничено правилом оптической техники, сформулированном еще в 1873 году. Самые короткие длины волн диапазона соответствуют примерно 400 нм, отраженный свет и разрешающая способность оптических микроскопов принципиально ограничена половиной этой величины, то есть составляет около 200 нм. То есть никакая оптика не может работать с нанообъектами и различать их. Нужна специальная техника.
В квантовой механике электрон может быть рассмотрен как волна, на которую можно воздействовать электрическим или магнитным способом через линзы. На этом основан принцип действия электронных микроскопов.