Время живых машин. Биологическая революция в технологиях
Сьюзан Хокфилд
Книги Политеха
Столетие назад наука позволила инженерам создать целый ряд удивительных новых технологий, настолько изменивших наш мир, что мы уже не можем представить без них нашу жизнь. Но, как утверждает всемирно известный нейробиолог Сьюзан Хокфилд, мы находимся на пороге новой революции, когда в результате соединения открытий в области биологии с инженерным искусством появится множество поистине фантастических технологий следующего поколения. «Время живых машин» описывает некоторые из самых интересных новых разработок, созданных в результате совместной работы ученых и инженеров. Вирусные аккумуляторы. Белковые фильтры для воды. Наночастицы, способные обнаружить рак. Протезы, читающие мысли. Сельскохозяйственные культуры, выведенные компьютером. Все эти новейшие проекты открывают перспективу технологической революции XXI в., которая позволит преодолеть некоторые из величайших гуманитарных, медицинских и экологических проблем нашего времени.
Сьюзан Хокфилд
Время живых машин. Биологическая революция в технологиях
Книга издана при поддержке Политехнического музея и Фонда развития Политехнического музея
Переводчик Виктория Краснянская
Научные редакторы Мария Осетрова, Виктория Гинанова, канд. биол. наук
Редактор Антон Никольский
Оформление серии Андрея Бондаренко и Дмитрия Черногаева
Издатель П. Подкосов
Руководитель проекта И. Серёгина
Корректоры М. Миловидова, С. Чупахина
Компьютерная верстка М. Зинуллин
Дизайн обложки Д. Черногаев
Фото на обложке National Cancer Institute on Unsplash
Фото автора на обложке Len Rubinstein
The Age of Living Machines: How Biology Will Build the Next Technology Revolution
© Susan Hockfield, 2020
Иллюстрации. Somersault1824 BVBA
© А. Бондаренко, Д. Черногаев, художественное оформление серии, 2021
© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО “Альпина нон-фикшн”, 2021
Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.
Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.
?
“КНИГИ ПОЛИТЕХА” – партнерский проект ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО МУЗЕЯ, издательств CORPUS, “АЛЬПИНА НОН-ФИКШН” и “БОМБОРА”.
В серии выходят лучшие современные и классические книги о науке и технологиях – все они отобраны и проверены учеными и отраслевыми специалистами.
Серия “Книги Политеха” – это пять коллекций, связанных с темами постоянной экспозиции Политехнического музея:
“Человек и жизнь” – мир живого, от устройства мозга до биотехнологий.
“Цифры и алгоритмы” – математика, искусственный интеллект и цифровые технологии.
“Земля и Вселенная” – происхождение мира, небесные тела, освоение космоса, науки о Земле.
“Материя и материалы” – устройство мира с точки зрения физики и химии.
“Идеи и технологии” – наука и технологии, их прошлое и будущее.
Политехнический музей представляет новый взгляд на экспозицию, посвященную науке и технологиям. Спустя столетие для музея вновь становятся важными
мысль и идея, а не предмет, ими созданный.
Научная часть постоянной экспозиции впервые визуализирует устройство мира с точки зрения современной науки – от орбиталей электрона до черной дыры,
от структуры ДНК до нейронных сетей.
Историческая часть постоянной экспозиции рассказывает о достижениях российских инженеров и изобретателей как части мировой технологической культуры – от самоходного судна Ивана Кулибина до экспериментов по
термоядерному синтезу и компьютера на основе троичной логики.
Политех делает все, чтобы встреча человека и науки состоялась. Чтобы наука осталась в жизни человека навсегда. Чтобы просвещение стало нашим
общим будущим.
Подробнее о Политехе и его проектах – на polytech.one (http://polytech.one/)
Посвящается Тому и Элизабет за их постоянное терпение, мудрость и любовь
Пролог
Последние несколько десятилетий, пребывая в должности декана и проректора Йельского университета, а затем президента и теперь уже президента-эмеритус[1 - Обозначение для преподавателей, которые в связи с преклонным возрастом освобождены от исполнения своих ежедневных обязанностей. – Прим. пер.] Массачусетского технологического института (МТИ), я имела редкую возможность заглянуть за горизонт науки. От того, что я там видела, захватывает дух. Нам выпало стать свидетелями появления гениальных и чрезвычайно мощных биологических инструментов: вирусов, которые могут самостоятельно формировать элементы питания; белков, способных очищать воду; наночастиц, умеющих находить и уничтожать раковые клетки; протезов, которые могут читать мысли; компьютерных систем, повышающих урожайность культур.
Новые технологии словно сошли со страниц фантастических романов, но они реальны. Разработка многих из них продвинулась уже очень далеко, и каждая ведет свое начало из одного и того же революционного источника – соединения[2 - P. Sharp, T. Jacks, and S. Hockfield, “Capitalizing on Convergence for Health Care,” Science 352, no. 6293 (2016): 1522–1523, http://doi.org/10.1126/science.aag2350 (http://doi.org/10.1126/science.aag2350); Phillip Sharp and Susan Hockfield, “Convergence: The Future of Health,” Science 355, no. 6325 (2017): 589, http://doi.org/10.1126/science.aam8563 (http://doi.org/10.1126/science.aam8563).] биологии и инженерного дела. Эта книга рассказывает о том, как происходит этот синтез, – о значительных научных открытиях, соединивших две такие разные области знаний вместе, и об исследователях-новаторах, использующих это слияние, чтобы изобретать инструменты и технологии, которые изменят нашу жизнь в наступившем столетии.
Нам нужны новые инструменты и технологии. Сегодня население земного шара составляет примерно 7,6 млрд человек[3 - Департамент по экономическим и социальным вопросам ООН, демографический отдел “Перспективы мировой урбанизации, редакция 2018 г.”, 2018, http://population.un.org/wup/DataQuery (http://population.un.org/wup/DataQuery).], и ожидается, что к 2050 г. оно превысит 9,5 млрд. Вырабатывая энергию, которая служит топливом, согревает и охлаждает сегодняшнее население, мы уже выбрасываем в атмосферу такое количество оксида углерода, какого хватит, чтобы изменить климат планеты на многие века, и сейчас мы сталкиваемся с последствиями этого[4 - Chunwu Zhu et al.,“Carbon Dioxide (CO
) Levels This Century Will Alter the Protein, Micronutrients, and Vitamin Content of Rice Grains with Potential Health Consequences for the Poorest Rice-Dependent Countries,” Science Advances 4, no. 5 (2018): 1–8, http://doi.org/10.1126/sciadv.aaq1012 (http://doi.org/10.1126/sciadv.aaq1012).]. Температура и уровень океана растут[5 - John A. Church and Neil J. White, “A 20th Century Acceleration in Global Sea-Level Rise,” Geophysical Research Letters 33, no. 1 (2006): 94–97, http://doi.org/10.1029/2005GL024826 (http://doi.org/10.1029/2005GL024826); Benjamin D. Santer et al., “Tropospheric Warming over the Past Two Decades,” Scientific Reports 7, no. 1 (2017): 3–8, http://doi.org/10.1038/s41598-017-02520-7 (http://doi.org/10.1038/s41598-017-02520-7).], большие участки земного шара поражены засухой, голодом и устойчивыми к лекарствам болезнями. Если просто распространять инструменты и технологии, имеющиеся сейчас в нашем распоряжении, это не решит ужасающие проблемы, с которыми мы сталкиваемся в мировом масштабе. Как мы можем получать доступную, но не загрязняющую природу энергию, производить достаточно чистую воду, разрабатывать более эффективные лекарства по низким ценам, предоставлять равные возможности для инвалидов и обеспечивать больше продуктов питания, не нарушив мировой экологический баланс? Нам нужны новые решения для этих проблем. Без новых технологий мы обречены на трудные времена.
Нам уже приходилось сталкиваться с прогнозами, предсказывающими всевозможные несчастья. В 1798 г. преподобный Томас Роберт Мальтус[6 - Мальтус Т. Р. Опыт о законе народонаселения. – Петрозаводск: Петроком, 1993.], английский священник, демограф и экономист, установил, что повышение уровня населения неизбежно превысит рост производства продуктов. Результаты его анализа предупреждали о единственно возможном исходе – массовые вспышки голода, войн и болезней. Как заявлял Мальтус, эти вспышки смогут регулировать численность населения, но только ценой смерти множества людей. “Непреодолимое увеличение народонаселения, – писал Мальтус, – не может сдерживаться без нищеты и бедствий”.
Но Мальтус был не прав. Уже в его дни фермеры начинали применять новые методы обработки земли, в том числе четырехпольный севооборот и внесение удобрений для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Эти методы полностью изменили уравнение. Они сделали землю более плодородной и наполнили рынок большим количеством продуктов. При наличии доступной пищи население Англии выросло даже быстрее[7 - Комплексный проект учета численности народонаселения Великобритании. Последнее изменение – май 29, 2015, http://www.freecen.org.uk (http://www.freecen.org.uk/).], чем предсказывал Мальтус, что помогло удовлетворить требования к рабочей силе в период индустриальной революции. Технологически обусловленная сельскохозяйственная революция[8 - Mark Overton, Agricultural Revolution in England: The Transformation of the Agrarian Economy (Cambridge: Cambridge University Press, 1996); Robert C. Allen, “Tracking the Agricultural Revolution in England,” Economic History Review 52, no. 2 (1999): 209–35, http://doi.org/10.1111/1468-0289.00123 (http://doi.org/10.1111/1468-0289.00123).] XIX в. внесла свой вклад в начало новой эпохи инноваций и экономического роста.
Сейчас мы подошли к подобному моменту. Предвещающие несчастья проблемы грозят нам последствиями, которые могут стать катастрофическими. Если их ничем не сдерживать, то они приведут к бедствиям и катастрофам на большей части земного шара. У нас нет средств, чтобы справиться с ними, – пока что нет. Но, когда мне удалось заглянуть за научные горизонты, я увидела удивительно яркое будущее. Биология и инженерное дело соединяются такими способами, которые ранее и представить себе никто не мог[9 - Susan Hockfield, “The Next Innovation Revolution,” Science 323, no. 5918 (2009): 1147, http://doi.org/10.1126/science.1170834 (http://doi.org/10.1126/science.1170834); Susan Hockfield, “A New Century’s New Technologies,” Project Syndicate (2015), http://www.project-syndicate.org/commentary/engineering-biotech-innovations-by-susan-hockfield-2015–01 (http://www.project-syndicate.org/commentary/engineering-biotech-innovations-by-susan-hockfield-2015-01).], и этот синтез вскоре сможет предложить нам решение некоторых самых значительных и кажущихся непреодолимыми проблем. Мы вот-вот вступим в эпоху невиданных ранее новшеств и процветания, и возможность наступления лучшего будущего будоражит как никогда.
Глава
1
Где начинается будущее
Ранним утром 26 августа 2004 г. на собрании акционеров Массачусетского технологического института[10 - Marcella Bombardieri and Jenna Russell, “Female Leadership Signals Shift at MIT,” Boston Globe, August 27, 2004; Arthur Jones, “Susan Hockfield Elected MIT’s 16th President,” TechTalk 49, no. 1 (2004); Katie Zezima, “M.I.T. Makes Yale Provost First Woman to Be Its Chief,” New York Times, August 27, 2004, http://doi.org/10.13140/2.1.3945.0402 (http://doi.org/10.13140/2.1.3945.0402).] меня избрали 16-м президентом МТИ. Выбор моей кандидатуры удивил большинство наблюдателей. Многие указывали на тот факт, что я была первой женщиной, занявшей эту должность, – существенная перемена, если учесть, что все 15 моих предшественников были мужчинами. Но некоторые подметили и кое-что более удивительное: я биолог. Моя дипломная работа и вся научная карьера были посвящены изучению физического, химического и структурного развития мозга, а это не та область, благодаря которой МТИ особенно известен.
Когда я заняла должность президента, институт славился вполне заслуженной репутацией одного из лучших в мире инженерных вузов и был родным домом для всемирно известных отделений физики, химии, математики и информационных технологий. Институт имеет давнюю историю сотрудничества с промышленностью, чтобы, руководствуясь основополагающей миссией “от идеи к действию”[11 - Девизом МТИ является латинское выражение “Головой и руками” (лат. Mens et Manus). – Прим. пер.], превращать сделанные в кампусе открытия в полезные и ценные на рынке технологии. Преподаватели и выпускники МТИ основали ряд компаний, в том числе такие, как Intel, Analog Devices, Hewlett-Packard, Qualcomm, TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, тайваньская компания по производству и изучению полупроводников) и Bose Corporation. Когда люди думают о МТИ, в голову им приходят революционные достижения в области инженерных разработок и физики, которые помогли Соединенным Штатам стать лидером в период стремительного развития электроники и цифровых технологий в ХХ в.
Именно поэтому мое назначение воспринималось как неожиданность. Более предсказуемым выбором была бы кандидатура инженера или специалиста в области теории вычислительных систем, физика или математика. Но в действительности с конца Второй мировой войны МТИ начал заниматься новой, зарождающейся областью науки – молекулярной биологией. К тому времени, когда я начала работать в институте, программа его отделения биологии вошла в число лучших в мире. Преподаватели получали Нобелевские премии за свои открытия, участвовали в основании ведущих мировых биотехнологических компаний.
Благодаря возникновению в институте двух сильных сторон – инженерного дела и биологии – стали появляться новые формы сотрудничества. Вскоре после того, как я приехала в Массачусетс, декан Инженерной школы сообщил мне[12 - Томас Магнатти в разговоре с автором осенью 2004 г.], что треть из 400 преподавателей-инженеров МТИ используют в работе биологический инструментарий. Администрация института понимала, что в XXI в. это взаимопроникновение дисциплин может создать потрясающие способы превращения идей в технологии. В таком свете мое назначение имело смысл: мы могли воспользоваться возможностью и содействовать слиянию биологии и инженерного дела в МТИ, а также в международных научных и промышленных сообществах.
Мне было нужно хорошо обдумать предложение возглавить МТИ. В то время я была проректором Йельского университета, где помогала планировать развитие естественных наук, медицины и инженерного дела. Эта работа мне чрезвычайно нравилась. Главным в ней была реконструкция отделений и зданий для углубления междисциплинарных связей. Моя страсть к налаживанию взаимодействия дисциплин привлекла внимание комитета по выбору президента МТИ, члены которого понимали, что подобное взаимопроникновение обеспечит в будущем практически безграничные возможности.
Могло ли мое положительное решение сработать? И сработает ли? Ставки в выборе между двумя такими разными заведениями были очень высоки и для меня, и для МТИ. Но в каком-то смысле вся моя жизнь готовила меня к этому новому назначению. Поэтому я приняла должность и начала то, что должно было стать увлекательным путешествием к новым областям науки, новым идеям и новым обязанностям.
? ? ?
Мною всегда владело непреодолимое желание понять, как работают разные устройства, и я удовлетворяла это любопытство, разбирая их на части. Еще ребенком, задолго до того, как поняла, что хочу быть ученым, я раскурочивала все подряд. Моя любознательность заставляла меня исследовать детали, из которых состояло устройство, и изучать, как эти части собирать вместе, чтобы оно заработало. Зачарованная зрелищем того, как отец чинит почти все в нашем доме, я разобрала утюг и пылесос. Я вскрыла свои любимые часы, чтобы изучить работу пружины и шестеренок, но это кончилось тем, что пружина раскрутилась, часы вырвались у меня из рук, разлетевшись на десятки частей, с которыми уже ничего нельзя было сделать. Мое любопытство распространялось и на то, что было за порогом дома: я потрошила нарциссы в нашем саду, а также желуди, только пустившие первые зеленые побеги новых молодых дубков.
То, как работает утюг, мне стало ясно после первой попытки его разобрать, но почему цветут нарциссы и растут дубы, оставалось для меня тайной. Как ярко-желтые цветки появляются из зеленого бутона? Почему лепестки желтые, а не красные? Что внутри желудя неожиданно заставляет его прорастать? Тайны живого захватывали меня с самого детства. Что же является его пружинами и шестеренками?
Эта детская страсть все разбирать на части привела меня к работе, которой я посвятила всю жизнь. В то время, когда я формировалась как ученый, мне очень повезло оказаться в центре двух крупных биологических революций. Первая из них, молекулярная биология, открывала тайны строительных блоков всех живых организмов; вторая, геномика, давала молекулярной биологии шкалу, необходимую для того, чтобы определить гены, ответственные за развитие болезней, и отследить их в разных популяциях и видах.
Невозможно переоценить важность этих революций. Молекулярная биология серьезно заявила о себе в конце 1940-х и начале 1950-х гг., когда коллектив ученых, многие из которых были по образованию физиками, использовал ряд новых методов (большинство из них ведут свое происхождение от методов, разработанных во время Второй мировой войны) для описания биологических механизмов[13 - H. F. Judson, The Eighth Day of Creation: The Makers of the Revolution in Biology (Plainview, NY: CSHL Press, 1996).] на новом уровне детализации. Они улучшили наше понимание того, что происходит на уровне отдельных молекул, отсюда и произошло название “молекулярная биология ”. Самые известные из этих ученых – Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик, Морис Уилкинс и Розалинд Франклин[14 - Rosalind E. Franklin and R. G. Gosling, “Evidence for 2-Chain Helix in Crystalline Structure of Sodium Deoxyribonucleate,” Nature 172, no. 4369 (1953): 156–57; Rosalind E. Franklin and R. G. Gosling, “Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate,” Nature 171, no. 4356 (1953): 740–41; J. D. Watson and F. H. Crick, “Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid,” Nature 171, no. 4356 (1953): 737–38; M. H. F. Wilkins, “Molecular Configuration of Nucleic Acids,” Science 140, no. 3570 (1963):941–50.] – использовали изобретенный в то время рентгеноструктурный анализ, чтобы определить структуру ДНК, что обеспечило множество новых возможностей. Ученые могли теперь понимать биологию на уровне клеточного “аппаратного обеспечения” – ДНК, РНК и белки как строительный материал всей живой материи. Со временем новые инструменты позволили выяснить внутреннее устройство здоровых клеток и улучшить наше понимание нарушений, сигнализирующих о возникновении болезни. Попутно ученые также основали биотехнологические компании, такие как Genentech, Biogen и Amgen, разработали новые способы лечения рака, рассеянного склероза и гепатита. Таким образом они спасли огромное количество жизней, создали десятки тысяч рабочих мест и внесли значительный вклад в экономический рост.
Если молекулярная биология сделала возможным изучение “аппаратного обеспечения” клеток, то геномика – еще один революционный раздел биологии – позволила изучать их “программное обеспечение” – код, хранящий набор инструкций для каждого живого организма. Геномика, дополнительную энергию которой придавали достижения в области вычислительной техники, создала карту человеческого генома[15 - E. S. Lander et al., “Initial Sequencing and Analysis of the Human Genome,” Nature 409, no. 6822 (2001): 860–921, http://doi.org/10.1038/35057062 (http://doi.org/10.1038/35057062); J. C. Venter et al., “The Sequence of the Human Genome,” Science 291, no. 5507 (2001): 1304–51, http://doi.org/10.1126/science.1058040 (http://doi.org/10.1126/science.1058040).], а также инструменты для анализа в высоком разрешении ДНК и РНК всех видов живых существ на Земле. Благодаря успехам в анализе последовательности генов и геномных данных, позволяющим сравнивать геномную информацию тысяч отдельных людей, ученые начали открывать загадки сложных, многофакторных основ многих болезней. Эти достижения дали возможность биомедицине развивать новые методы лечения пациентов, основанные на уникальном для каждого составе генов и подтипе заболевания, так что теперь мы можем бороться с болезнями отдельного человека с помощью индивидуально подобранной терапии. Те же самые методы используются для изучения животных и растений и, как мы увидим в следующих главах, для того, чтобы изобретать новые решения для некоторых из самых сложных индустриальных и общественных задач.
