6779-1 (Цивилизация богов. Прогноз развития науки и техники в 21-м столетии), страница 3

Вновь образованные химические соединения также проверялись на предмет химического взаимодействия со всеми, имеющимися в оперативном пространстве химическими соединениями и способными к реакции клеточными компонентами и между собой. Итогом второго этапа компьютерного анализа являлся новый перечень потенциально возможных химических соединений, то есть перечень второго рода. В дальнейшем, в зависимости от принятой глубины исследования поставленной задачи, для нахождения ответа необходимой степени точности могли проводиться дополнительные этапы анализа.

Все случаи получения новых интегральных поверхностей потенциальной энергии (продукты химического реагирования исследуемых соединений) изучались на предмет их дальнейшего участия во всей цепочке метаболических реакций моделируемого процесса. В нашем примере ответом на поставленный вопрос являлось виртуальное изображение возможных реакций активных химических соединений и мембранных белков, контролирующих возбудимость нервной клетки и обеспечивающих генерацию и передачу нервных импульсов между нейронами. Анализируя последовательность таких изображений, легко сделать выводы о характере влияния исследуемого химического соединения на процессы, происходящие в момент передачи сигналов между нейронами.

Основанный на квантовой теории способ моделирования химических реакций, при котором анализу подвергались взаимоотношения между ядрами и электронами, являлся самым точным из используемых способов моделирования. Однако данный способ требовал использования компьютеров огромной мощности и применялся в особо ответственных случаях. Для этих целей, как правило, задействовались компьютерные ресурсы суммарной мощностью не менее десяти миллионов Терафлоп. При всей своей сложности задачи моделирования взаимодействия двух и более сложных химических соединений успешно решались на практике. В этом была заслуга не только разработчиков и производителей суперкомпьютеров. Количество операций в секунду, которое требовалось для расчета взаимодействия двух относительно простых белковых молекул, было астрономическим и не могло быть достигнуто в ближайшем будущем экстенсивным путем наращивания мощности суперкомпьютеров.

Основная заслуга в повышении эффективности суперкомпьютеров при решении задач повышенной сложности принадлежала разработчикам программного обеспечения. Именно совершенное программное обеспечение отсекало те сотни и тысячи миллиардов тупиковых вариантов и бесполезных операций, которые только занимали машинное время, и позволяло отделять в режиме реального времени зерна от плевел. При этом в технологиях компьютерного моделирования огромную роль играл опыт разработки прежних компьютерных моделей. Ничто существенное в мире программирования не пропадало бесследно, а служило дальнейшему прогрессу науки. К тому же при компьютерном моделировании взаимодействия разных химических соединений число комбинаций реагирующих веществ, было хотя и очень велико, но все же конечно. Количество потенциально полезных вариантов составляло весьма малую часть от всех теоретически возможных. При этом особое значение имело создание базы данных, содержащей информацию о свойствах важнейших для человечества химических и биохимических соединений, отображенных в универсальном виде, подходящем для использования в технологиях компьютерного моделирования. На практике это означало, что плановый перевод свойств химических соединений в электронную форму, который значительно ускорит и облегчит процессы разнообразного компьютерного моделирования, становился одной из главных точек приложения усилий ученых различных специальностей.

Сотни научных учреждений химического и физического профиля во всем мире начали планово заниматься расчетом поверхностей потенциальной энергии химических и биохимических соединений, а также взаимодействием уже рассчитанных поверхностей потенциальной энергии между собой. Шаг за шагом древние науки химия и биология совместно с новейшей наукой генетикой все больше свои натурные исследования и эксперименты смещали в область компьютерного моделирования и конструирования. Ожидалось, что именно универсальные методы компьютерного моделирования свойств и строения вещества в ближайшем будущем объединят в единую интегральную науку сегодняшние химию, генетику и биологию.

К средине третьего десятилетия впечатляющего уровня развития достигла генная инженерия, особенно в области конструирования новых генов, не существующих в земной биосфере. В своей работе генные инженеры руководствовались традиционным подходом использования генов и целостных генетических структур растительных и животных организмов для генетической модификации другого организма. Если объяснить эти технологии максимально упрощенно, можно было сказать, что человек пытался перетасовывать гены, взятые из генофонда земной биосферы по-своему, для получения желаемого результата. На практике этот процесс не происходил случайным образом, наоборот он осуществлялся под строжайшим контролем, с существенными ограничениями, налагаемыми на цели и способы исполнения. Отрасли промышленности, основанные на достижениях генной инженерии, уверенно занимали четвертое месте в мире по объему производимых товаров. Их опережали только энергетика, добывающая промышленность и производство компьютеров и программного обеспечения.

За неполных пятьдесят лет, прошедших с момента становления генной инженерии как прикладной науки, ее результаты значительно повлияли на развитие сельского хозяйства, медицины, химической промышленности, энергетики, экологии и другие области человеческой деятельности. Например, оптимизированные сельскохозяйственные растения, которые в последние годы получили распространение во всем мире, имели урожайность в среднем в три раза выше самых лучших традиционных сортов. Такие растения обладали наследуемыми устойчивыми признаками и не подвергались самопроизвольным мутациям. По сути, на практике были реализованы преимущества эталонных растительных организмов, важнейших для человека видов. Дальнейшее улучшение полезных признаков у эталонных растений также осуществлялось методами генной инженерии, путем внедрения в эталонный наследственный материал генов, взятых от других растений. Подобные улучшенные сорта, сохранив высокую урожайность, приобретали новые полезные качества. Самыми существенными из них являлись устойчивость к засухе и заморозкам, способность самостоятельно бороться с различными вредителями, малая потребность в минеральных удобрениях, возможность выращивания на одном растении нескольких полезных продуктов, неприхотливость к выполнению правил агрокультуры, быстрый распад растительных тканей после сбора урожая.

Столь существенные достижения привели к распространению по всей планете высокоурожайных и устойчивых сортов полезных растений, что в принципе ликвидировало угрозу голода для населения развивающихся стран. Негативным следствием этого процесса стало то, что без работы и доходов осталось множество фермеров в таких странах как США, Канада и страны объединенной Европы. С прогрессом бесполезно бороться, его невозможно остановить, поэтому многочисленные попытки возмущенных фермеров ограничить распространение новых сортов смогли лишь ненадолго отодвинуть процесс банкротства фермерских хозяйств во всех странах мира.

Достижения генной инженерии в животноводстве были впечатляющими, хотя и не столь революционными, как в случае с сельскохозяйственными растениями. Далеко не для всех видов полезных животных был к этому времени определен эталонный геном. Улучшение многих видов сельскохозяйственных животных осуществлялось путем внедрения в их наследственный материал хорошо изученных генов других организмов, с последующим наследованием полезных признаков. Большое количество ошибок и неудачных опытов существенно сдерживали быстрое продвижение в этом направлении. Общественное мнение, настороженно наблюдая за трансгенными операциями на животных, с ужасом представляло применение подобных технологий для создания мутантов-людей, так что ученые, работающие в данном направлении, отнюдь не продвигались на зеленый свет. Однако же, даже осторожные эксперименты, учитывающие возможное общественное недовольство, привели к появлению улучшенных видов сельскохозяйственных животных, с показателями в два раза лучшими, чем у традиционных видов животных в начале века. Такие улучшенные животные нуждались в меньшем количестве пищи, значительно реже болели, давали высокие привесы, приросты и надои, быстрее росли. К тому же они были похожими на тех домашних животных, которых мы и наши предки видели последние несколько тысяч лет. Этот фактор являлся очень важным и благоприятным для дальнейшего применения генной инженерии в животноводстве, поскольку появление животных непривычного внешнего вида привело бы к возмущениям общественного мнения.

Достижения генной инженерии в совокупности с технологиями компьютерного конструирования веществ с заданными свойствами совершили переворот в фармацевтике. За прошедшие годы нового века мировая лекарственная база претерпела фундаментальные изменения. Около девяноста процентов применявшихся в начале века лекарственных препаратов были заменены более эффективными, более естественными для человеческого организма лекарствами, не имеющими побочных эффектов. Большая часть этих новых лекарственных препаратов синтезировалась не прежними методами в лабораторных и промышленных реакторах, а в живых биологических реакторах. В качестве таких биологических реакторов для производства медицинских препаратов, особенно белков, гормонов, ферментов и многих других веществ, использовались трансгенные животные и растения. Необходимые для людей лекарственные препараты являлись теперь продуктами жизнедеятельности трансгенных животных и растений, либо продуктами дальнейшей переработки сырья, получаемого из них. Не остались в стороне и традиционно используемые в фармацевтике микроорганизмы. Сотни видов трансгенных микроорганизмов, дрожжей, грибов трудились на благо человека в фармацевтических и производящих продукты питания компаниях. Во многих случаях конкретный штамм микроорганизмов в процессе жизнедеятельности продуцировал готовые лекарственные препараты, которые после доочистки и стерилизации можно было использовать непосредственно для лечения и профилактики болезней.

Количество видов трансгенных млекопитающих, задействованных в производстве фармацевтического сырья и препаратов, было велико. С их помощью производилась значительная часть современных лекарственных препаратов. Однако биологический синтез многих лекарственных препаратов не мог быть осуществлен в биологических реакторах, в качестве которых выступали трансгенные млекопитающие. Необходимые для медицины и фармацевтики биологические яды и токсины приходилось получать, используя в качестве биологических реакторов экзотические виды змей, рыб, моллюсков и других видов животных. Достойное место в ряду продуцентов лекарственных препаратов заняли также улучшенные виды насекомых.

Что касается химической промышленности, то за последние годы было разработано около десятка эффективных технологий получения химических продуктов на основе низкоэнергетических биокаталитических реакций. Новые технологии работали в условиях реальных земных температур и давлений с минимальным расходованием энергоресурсов. Достижением генной инженерии являлось то, что биологические катализаторы, применяемые в этих технологиях, вырабатывались трансгенными микроорганизмами, дрожжами, грибами, морскими организмами в промышленных количествах. Новые технологии способствовали дроблению огромных, угнетающих природу химических предприятий, на небольшие, дружественные окружающей среде производства, использующие биологические катализаторы.

На энергетику со стороны генетики также было оказано существенное влияние. Созданные методами генной инженерии микроорганизмы, способные осуществлять биокаталитическое разложение воды позволили начать производство молекулярного водорода для потребностей промышленности и быта. Водородная энергетика, вооруженная экологически чистым способом добычи основного сырья, уверенно начала теснить традиционную энергетику, основанную на сжигании природных невозобновляемых ресурсов. Еще одним фактором влияния на энергетику стало использование искусственных микроорганизмов для разработки обедненных и труднодоступных месторождений нефти, угля и сланцев, путем биологического извлечения из них горючих газов.

В вопросах экологии и защиты окружающей среды достижения генной инженерии также привели к значительному прогрессу. Если говорить обобщенно, то любое использование наработок этой прикладной науки сопровождалось снижением экологической нагрузки на планету. В основном благодаря массовому применению биотехнологий в химической и фармацевтической отраслях промышленности, впервые за последние два века показатели давления цивилизации на окружающую среду стабилизировались, а по некоторым позициям снизились, несмотря на увеличение населения планеты и увеличение потребностей человечества. Иными словами, наметилась стойкая тенденция излечения планеты Земля от хронического заболевания, носящего название экологическое загрязнение.

Биотехнологии, уверенно взяв старт, начали исполнять свое основное предназначение по переводу обслуживающих цивилизацию производств и технологий на безотходную основу. Идеальным конечным результатом этого процесса в близком будущем виделась замена всех существующих технологий на биологические технологии. Конечно, возможность полного перевода на биотехнологии всего мирового хозяйства казалась нереальной, однако практика их применения часто опережала самые смелые фантазии. Такие отрасли промышленности, как металлургия черных и цветных металлов, производство строительных материалов, добыча полезных ископаемых, традиционная энергетика, производство станков и оборудования, на первый взгляд имели весьма отдаленное отношение к биотехнологиям. Но при более пристальном рассмотрении становилось ясным, что добыча полезных ископаемых, извлечение чистых металлов ни что иное, как типичная функция трансгенных микроорганизмов, уже практически реализуемая в некоторых процессах извлечения полезных ископаемых. Производство экологически чистых строительных материалов может осуществляться, как микроорганизмами, так и искусственными организмами более высокой степени организации. Что касается перспектив применения биотехнологий в энергетике, то к этому времени уже были получены обнадеживающие результаты исследований, направленных на создание модифицированных трансгенных микроорганизмов и генерирующих биологических тканей, использующих энергию фотосинтеза, хемосинтеза и тепла окружающей среды для непосредственного производства биологического электричества.

Потребность в станках и оборудовании во многих отраслях промышленности при широком внедрении биотехнологий будет уменьшаться, либо вообще отпадет, как это произошло в фармацевтике при переходе от промышленных методов синтеза лекарственных препаратов к синтезу в биологических реакторах, или живых организмах.

Конечно, построить гиперзвуковой летательный аппарат на основе одних биотехнологий вряд ли получиться. Но вот получить необходимые для этого конструкционные материалы вполне возможно. Технологии получения сверхчистых металлов, равно как и технологии направленной кристаллизации в многокомпонентных расплавах и растворах, вполне могут быть заменены селективными биотехнологиями извлечения сверхчистых металлов из природных и искусственных сред и биокаталитическими технологиями создания материалов с заданными свойствами. Однако природа не терпит односторонних подходов, и в своем творчестве использует самые разнообразные методы и способы воздействия на материю, и это правило взял на вооружение человек.

Если взглянуть на первооснову, благодаря которой стало возможным широчайшее применение биотехнологий, то такой первоосновой являлись уникальные и разнообразные свойства белковых молекул, астрономическое число их возможных структурных форм. Главным достоинством белковых молекул является то, что с их помощью можно контролировать и управлять ходом едва ли не всех возможных химических реакций. При этом в среде характеризуемой стабильными параметрами температуры, давления, и концентраций могут одновременно осуществляться различные химические реакции с участием белковых молекул. Прямым доказательством значимости белковых молекул является факт существования белковой жизни на нашей планете. Форма существования белковых тел, базирующаяся на фундаменте из двадцати аминокислот, представляет собой совокупность устойчивых логических связей, реализованных в виде повторяющихся биохимических реакций с участием белковых молекул. Всего двадцать различных аминокислот и миллионы различных белковых молекул, каждая из которых уникальна по своему строению и функциям.