Читать книгу Энциклопедия Будущего - Иван Сирфидов - Страница 62

Биочип – это живое устройство, предназначенное для выполнения определённых функций технического или биофизиологического характера. По сути он полноценный живой организм, только очень примитивный в плане внутреннего строения тела. Чаще всего он является многоклеточным животным, иногда одноклеточным, если речь идёт о микроскопических разновидностях вроде бактерий, и даже субклеточным – ведь к биочипам относят и некоторые вирусы, бывают впрочем они и сложной физиологии, с кровеносной системой, сердцем и другими органами. Биочип не способен двигаться, не имеет поведения и поведенческих инстинктов, в большинстве случаев у него отсутствует нервная система или она отряжена на обслуживание его рабочих (используемых человеком в своих целях) свойств и почти не задействована в процессах жизнедеятельности. Существует два принципиально разных класса биочипов: технические и органоидные, первые предназначены для интеграции в технические устройства, вторые для внедрения в живые организмы – людей, животных, растения. В технике биочипы применяются в качестве датчиков, сенсоров, элементов электронного управления, микро-аппаратов синтеза веществ технического назначения. В организмах разнообразие решаемых с их помощью задач ещё шире, здесь они могут синтезировать гормоны и полезные субстанции, регулировать уровень различных веществ в крови, фильтровать кровь от вредных веществ и даже от излишних питательных (это один из распространённых способов нормализации веса), есть чипы, вырабатывающие антитела к определённым вирусам или ускоряющие выработку их иммунной системой, синтезирующие прямо в теле антибиотики или прочие медицинские препараты. В сельском хозяйстве часто используют биочипы, стимулирующие ускоренный рост плодовых деревьев и мяса (животноводство в описываемое время исчезло, как отрасль, эволюционировав в мясоводство, см. раздел о мясных фермах). Известно, что когда-то в прошлом в империи военные экспериментировали с биочипами, повышающими в критической ситуации уровень адреналина и тестостерона у солдат в крови. Правда сейчас ничего подобного в армии нет. Доставка биочипа в организм осуществляется разными средствами – иногда инъекцией, иногда хирургической операцией, иногда его нужно проглотить, иногда его просто приклеивают на кожу. Некоторые чипы могут использоваться автономно – сами по себе, без внедрения во что-либо живое или техническое, например таковы многие чипы для синтеза веществ. В этом случае в зависимости от того, что конкретно они производят, их либо всё же относят к техническим биочипам, либо так и называют – автономными.

По типу устройства системы пищепотребления биочипы делят на контейнерные и паразитические. Контейнерные имеют в своём составе чаще всего пополняемый, но иногда и одноразовый контейнер с питательной массой, так же есть у них обычно и контейнер для вывода отходов жизнедеятельности. Подобные биоустройства требуют регулярного, раз в 2—60 месяцев, техобслуживания, заключающегося в пополнении пищевых запасов и очистке контейнера для отходов. Паразитические ни в пище ни в техобслуживании не нуждаются, питание они получают от организма-хозяина, в него же выводят отходы своей жизнедеятельности. Как правило органоидные биочипы – паразитические, а технические – контейнерные, но бывает и иное, например в технике биочип паразитического типа может быть установлен на другой биочип, в организм тем более никто не запрещает внедрять контейнерные разновидности, иногда это очень удобно, так как позволяет использовать чип временно – опустошив запасы питания он отомрёт и прекратит свою деятельность.

Ещё одной типовой характеристикой биочипов является способ их установки. Согласно ей их подразделяют на два типа: самоинтегрирующиеся и монтируемые. Самоинтегрирующиеся достаточно лишь доставить, разместить в нужном месте, далее они всё сделают сами – прикрепятся, приклеятся, врастут, объединятся с кровеносной системой организма хозяина (если речь идёт о паразитических чипах), чтобы потреблять из его крови питательные вещества и поставлять в неё иные, вырабатываемые самим чипом. Монтируемые требуют операции монтажа. Самоинтеграция свойственна органоидным чипам, технические же в основном тяготеют к монтируемости, хотя и у тех и у других исключений предостаточно. Установка чипа в технику весьма трудоёмкая операция, самое сложное в ней не закрепление его, не обеспечение питанием (если он паразит), а сопряжение его функциональной части с техническим оборудованием. Например, умеющий чуять запахи чип-сенсор имеет нечто вроде нервной системы, сигналы из которой должны поставляться некоему аналитическому устройству-приёмнику, иначе говоря, регистрируемую живым сенсором информацию необходимо как-то передать электронике, обрабатывающей сенсорные данные, то есть требуется объединить выходные нервы чипа с входными цепями электронных компонентов. Проблема в том, что нервы – не проводники, их не припаяешь. Присоединение их к чему-либо всегда непростая задача. Некоторые из биочипов способны присасываться выходами нервных узлов к специальным контактным матрицам, но в основном их соединение между собой в одну цепь или с шинами данных технических систем выполняется посредством либо биосварки, либо биоспайки, либо каталитического биоклея. Биосварка и биоспайка обеспечивают быстрое соединение, но невозможны без высокотехнологичного оборудования, то есть дорогостоящи, склеивание не стоит практически ничего, нужно только купить биоклей, цена которого копеечна, однако придётся дожидаться от дней до недель, пока у чипов произойдёт срастание окончаний нервных каналов или пока они не прирастут нервными тканями к контактным площадкам. Ведь биоклей фактически лишь удерживает чипы на месте, он не спаивает их нервы, это происходит само собой путём естественных процессов врастания (в принципе биочипы можно приклеивать чем угодно, любой клейкой неагрессивной жидкостью, но биоклей всё же предпочтительнее, так как содержит в своём составе гормональные катализаторы, ускоряющие сращивание многократно). Достаточно распространены и биочипы, у которых нервные окончания выведены на неорганические соединительные интерфейсы (разъёмы, монтажные усики). Что позволяет соединять их нервы с техникой быстро без всякой биосварочной аппаратуры. Однако и этот способ монтажа имеет ряд серьёзных недостатков: 1) Падает чувствительность и управляемость чипов из-за электромагнитных и электростатических шумов и наводок, возникающих на неорганических частях соединения; 2) Само соединение считается хоть и незначительно, но всё же менее надёжным; 3) Перед осуществлением соединения необходимо с помощью специальных средств принудительно вводить чип в бесчувственное состояние, иначе у него из-за сильных механических и электростатических шумов, возникающих на концах соединительного интерфейса непосредственно в момент монтажа, выгорит нервная система, иначе говоря, он получит критическое повреждение, несовместимое с дальнейшим продолжением жизнедеятельности (хотя есть некоторые шансы и на постепенное самовосстановление); 4) При аварийном разрыве соединения оно не может со временем срастись само, как это характерно для чипов, не имеющих неорганического интерфейса.

У непросвещённого в вопросах биоинженерии читателя может возникнуть вопрос: ну и зачем нужны эти живые чипы, ведь очевидно, что они неудобны – их надо кормить, обеспечивать им комфортные для выживания условия внешней среды, они не могут храниться десятки лет на складах, потому что попросту умрут. В чём их достоинства по сравнению с техническими устройствами? В действительности достоинств у них очень много. Это:

1) Репродуктивная функция. Если у неорганической техники изготовление часто наиболее существенный фактор влияния на конечную цену, складывающуюся из расходов на материалы, технологии и оборудование, у биочипов процесс производства фактически вообще отсутствует, они живые и потому как всякий живой организм умеют размножаться: самоклонируются, почкуются, ответвляются, выделяют икру или личинок. Или синтезируются материнским организмом (чем-то вроде матки пчёл или термитов). То есть их стоимость по большому счёту определяется лишь затратами на их разработку.

2) Разработка. В общем случае биочип проектируется из готовых «биокирпичиков»: из клеток с определёнными свойствами, из имеющихся в природе либо уже созданных ранее биоинженерной наукой белков, из частей ДНК других чипов или иных существ. Здесь так же не нужно умопомрачительно сверхтехнологичное оборудование, сложные дорогостоящие материалы, основной инструмент при разработке биочипа есть интеллект и профессионализм работающих над ним биоинженеров.

3) Биочип – это живое существо и потому способен к самоизлечению. Его повреждение или выход из строя с высокой долей вероятности не потребуют обращения в ремонтную мастерскую или сервис-центр, покупки нового экземпляра, монтажных работ по извлечению и замене. Через какое-то время он скорее всего восстановится сам. Некоторые чипы и вовсе показывают чудеса регенерации – разрезал их на части, и через недельку-другую каждый кусочек вырастет в целёхонький полнофункциональный биоприбор.

4) Биологические сенсорные системы на порядок чувствительней технических (при нулевых затратах на производство!). Вспомним ту же бабочку, которая за километры может учуять особь своего вида противоположного пола – это естественный химический супер сенсор. Для современной биоинженерии создать биочип, повторяющий сенсорную систему бабочки, абсолютно не проблема. Установи такой в газоанализатор или поисковый прибор, отыскивающий определённые предметы по запаху, и ни одно устройство на основе неорганических сенсоров и близко не сравнится с ними. Но в биочипах можно воспроизвести не только сенсорную систему бабочки, или к примеру нос собаки. Могут быть созданы сверхчувствительные биосенсоры, регистрирующие электромагнитные поля, слабоамплитудные сейсмические колебания, спектр освещения, химический состав веществ, тихие звуки, радиационную активность, гравитационные всплески и многое др.

5) Живая клетка есть функционально законченный сверхминиатюрный механизм, который нетрудно заставить вырабатывать какое-либо вещество. Чип из подобных клеток – это конвейер, это предприятие по производству органических или иных соединений. Попробуйте создать техническое приспособление с аналогичными возможностями. Аппарат получится немаленьким, чрезвычайно сложным и очень дорогим, тогда как чип имеет размеры с ноготок, стоит гроши, а работать будет надёжней и производительней. Кроме того, некоторые медпрепараты имею столь высокую скорость распада, что хранить их нельзя, потреблять в таблетках и ампулах нереально, внедрённый в тело органоидный чип, синтезируя вещество в нужных количествах «прямо на месте» – единственный вариант доставки их в организм.

6) Биологические системы способны исполнять функции управления, служить интеллектом приборов. Известно, что у некоторых видов муравьёв с их чем-то, что и мозгом назвать затруднительно, есть и тактильно-химический язык, и счёт, и короткие названия для знакомых мест, они умеют выполнять удивительные по сложности действия, такие как постройка мостов и жилищ из собственных тел, а принимаемые ими решения порой поражают строгостью логики. Человек изощрённей природы, создаваемые им интеллектуальные биоустройства творят чудеса. Конечно, электронные интеллектуальные приборы несопоставимо превосходят биоинженерные, однако электронным необходимо энергоснабжение, их нужно производить, биочип же вырастет сам и будет питаться органикой, это максимально дешёвый и экономичный агрегат из всей интеллектуальной техники.

7) Биочипы могут приспосабливаться и к условиям внешней среды, и к характеру взаимодействий с ней, и к особенностям внутренних сигналов технических систем, с которыми связаны. Иначе говоря, они «обучаются» – привыкают, трансформируются, адаптируются, как всякий живой организм они подвижны в плане подстройки внутренних физиологических процессов под обстоятельства жизнедеятельности, нагруженные органы у них функционально развиваются, а длительно невостребованные атрофируются. В частности это значит, что у опытного уже поработавшего какое-то время чипа выше чувствительность, если это сенсор, выше производительность, если это синтезатор веществ и ему приходилось много «трудиться», а если наоборот, функция синтеза у него была востребована слабо, его продуктивность снижается, а значит снижается активность и его внутренних процессов, он начинает потреблять меньше пищи и соответственно срок его службы удлиняется. При работе в пограничных по жёсткости условиях внешней среды – температурных, кислородных и т. д. биочип привыкает к ним, и коридор допустимых для него условий растягивается – т.е. он закаляется.

8) Подкупает простота утилизации выработавших свой ресурс или умерших биоустройств. Они разлагаются в природе точно так же, как и все прочие живые организмы. При большом желании их можно даже съесть, и они вполне нормально переварятся и усвоятся.

К сожалению и недостатков у биочипов немало. Существенных тоже не менее восьми:

1) Необходимость снабжать их питанием, кислородом или иным газом для дыхания (есть чипы, дышащие углекислотой, метаном и даже водородом, правда всё это очень редкие разновидности), иногда водой. Потребность в пище заметно сказывается на сроке их непрерывной эксплуатации без техобслуживания, даже у самых «малоедящих» моделей он меньше десяти лет, у особо же прожорливых может составлять всего лишь месяцы, а то и недели. Технику с биочипами нельзя надолго законсервировать, поставить на хранение на многие годы. У некоторых из них есть режим спячки, в котором их метаболизм замедляется в десятки раз, это несколько выправляет ситуацию, известны случаи, когда подобные биоустройства выживали после 40—50 лет хранения. И всё же не все из них способны на спячку, а снабжение их таковой усложняет их физиологию и делает их несколько более габаритными.

2) Узкий по сравнению с неорганическими техническими устройствами коридор пригодных для функционирования и жизнедеятельности условий внешней среды. Биочипам нужно обеспечивать как минимум комфортные для них давление и температуру, иногда влажность, защищать их от излишне интенсивного воздействия радиации, они существенно уступают электронным чипам в ударопрочности, их нельзя подвергать ускорениям более десятков, а иногда и единиц G.

3) Монтаж сенсорных и интеллектуальных технических разновидностей биочипов, как мы уже упоминали, гораздо более трудоёмок по сравнению с монтажом электронного оборудования. Что касается органоидных видов, некоторые их модели нуждаются в снабжении механизмом, препятствующим отторжению чипа иммунной системой. Не всегда это просто и всегда сказывается на сложности и стоимости разработки. Во многих случаях такие биочипы адаптируют к организму конкретного человека или животного ещё в зародышевой стадии, внедрением в их клетки ДНК будущего носителя, то есть производство биочипа может и ничего не стоить, а вот адаптация нередко бывает времязатратной дорогостоящей процедурой.

4) Проблемы, свойственные живым организмам. Биоустройства способы болеть, страдать от отравлений, физиологических и функциональных расстройств.

5) Плавающие характеристики. Если у электронного чипа характеристики всегда одни и те же, определённые его технической спецификацией, биочип приспосабливается к конкретным условиям эксплуатации и меняет под них свою физиологию. Отчасти это удобно, но порождает и целый ряд проблем. Во-первых, наблюдаются заметные различия в возможностях «опытного» чипа и нового, опытный как правило чувствительней и производительней. Не даром техника, использующая биочипы в качестве базовых элементов, таких как сенсоры в измерительных приборах, нередко стоит дороже, когда она уже проработала какое-то время, а не свежая только-только сошедшая с конвейера. Или же компаниям-производителям приходится создавать специальные отделы, где биочипы перед установкой в выпускаемую техническую продукцию подвергаются длительным предпродажным подготовительным нагрузкам. Что приводит к существенному росту их стоимости. Во-вторых, есть сложности с хранением биоприборов – если они нужны изредка, если их мало используют, их характеристики снижаются, а чтобы этого не произошло, их надо периодически изымать со склада и загружать хоть какой-то деятельностью. В третьих, не всегда гладко проходит смена режима эксплуатации – скажем, вы много измеряли что-то в одном диапазоне, перешли на другой, а ваш прибор пока не готов в нём работать с нужной точностью – не привык ещё. Безусловно, глубина изменений рабочих качеств у биочипов в основном вполне терпима, например +20% чувствительности у опытного сенсора, +40% у постоянно используемого и -20% у редко применяемого. В любом случае всякий из них даст огромную фору своим техническим неорганическим аналогам в соотношении возможности/стоимость. Лишь тем владельцам биоустройств, кому важно выжать максимум из своей техники, добиться от неё не просто хорошей, а именно наибольшей функциональности, приходится постоянно обременять себя мероприятиями по её загрузке тренировочными задачами. И всё же так или иначе это неудобство. Помимо функциональных характеристик у биочипов плавают и физические. Они (чипы) прирабатываются к температуре, давлению и прочим условиям, в которых находятся, привыкают к тем, и при резкой их смене могут временно утратить стабильность работы, пока не адаптируются к новым условиям. Правда пожалуй особой проблемы здесь нет, чип не сложно поместить в защитный кожух или создать ему устойчивый микроклимат иными средствами.

6) Вновь приобретённым биоустройствам нередко на начальном этапе нужна мягкая эксплуатация. Не у всех из них в этом действительно есть потребность, но всё же значительную их часть после покупки приходится от дней до недель подвергать пониженным нагрузкам, дабы они приработалась, оптимизировали свой обмен веществ и внутренние функции, как говорят специалисты-биомеханики, «повзрослели».

7) Для измерительных и тому подобных приборов замена в них вышедшего из строя биочипа не проходит бесследно. Опытный экземпляр меняется на неопытный, или как минимум, на неподготовленный к требуемым режимам работы. Иногда уходят месяцы, а то и годы, прежде чем к прибору возвращаются его былые возможности.

8) Чипы привлекательный пищевой объект для насекомых и животных. Они съедобны, для утилизации это достоинство, а для эксплуатации недостаток. Приходится снабжать их защитой. Одни производители придают их телам отвратительные ароматические и вкусовые качества, другие помещают в защитную оболочку, третьи наделяют способностью отращивать хитиновый или костный покров, так же выпускаются специальные дурно пахнущие вещества, которыми при желании их можно опрыскать или обмазать. Но пожалуй самый применяемый способ защиты – просто надёжная герметизация устройств, в которых они применяются, не позволяющая живым существам проникать внутрь.

Благодаря способности биочипов самовосстанавливаться техника на их основе особенно популярна на малозаселённых периферийных планетах со слаборазвитым сервисом техобслуживания. Но и на всех прочих планетах она тоже в спросе, так как недорога, при том что имеет очень высокие технические характеристики. Супер чувствительность сенсорных биочипов делает их незаменимыми компонентами измерительных, тестирующих и поисковых приборов. Синтезирующие биочипы прекрасные производители разнообразных веществ, отличающиеся не только очень низкой ценой, но и малыми габаритами, к примеру позволяют получить сверхкомпактные системы выработки смазочных материалов, технических жидкостей и биологически активных субстанций, и мы говорим о действительно революционном методе снабжения механизмов и организмов определёнными материалами, когда миниатюрнейшее биоизделие становится источником почти неограниченного их количества (в качестве наглядной аналогии проще всего привести паука – последний способен создавать паутину километрами, но внутри него никакой паутины нет, как нет и запасов веществ для её изготовления, он мега компактнейшая синтезирующая биосистема, и что знаменательно, иные из современных чипов ещё совершеннее, они превосходят его синтезирующие возможности). Интеллектуальные биочипы на фоне сходных неорганических процессорных устройств выделяются чрезвычайной миниатюрностью, там где нужна микро-техника, способная выполнять не слишком сложные функции, со многих позиций они идеальный вариант. Попробуйте создать неорганический процессор с маковое зёрнышко, попробуйте наделить его собственными поведенческими инстинктами, желанием производить какие-либо действия, умением распознавать зрительные образы, запахи, звуки. Ныне возможно и такое, но это дорого, тогда как био «процессор» не стоит ничего.

По размерам биочипы делятся на микрочипы и макрочипы. К «микро» относятся разновидности от величины одной органической молекулы до десятых долей миллиметра, к «макро» соответственно всё, что свыше. Каких-то особых ограничений на габариты у макрочипов нет, к примеру известен случай создания чипа длиной 1,2 метра и весом около 370 кг. Хотя у подавляющего их большинства размеры не превышают нескольких сантиметров. Существует понятие биосхемы – это либо два или более биочипа, объединённые в единую систему, либо биочипы без репродуктивной функции, не способные размножаться сами и не имеющие маточного организма-производителя, их производят биоштамповкой, молекулярным синтезом, биосинтезом, биосборкой или выращиванием в специальных условиях. Биочипы и биосхемы, как класс технических устройств, принято называть биотроникой.