2. Біоінженерія фантастики. Як зібрати людину

мал.1. морфогенетичний фабрикатор.

У фантастиці часто потрібно створювати людей або якісь організми, для цього буває викоритовують чарівне слово біопринтер і працює дуже просто: машина гуде, через кілька годин або днів двері відкриваються — і назовні виходить нове тіло.

Проблема в тому що з інженерної точки зору слово «біопринтер» тут майже нічого не пояснює , ба ще більше вводе в оману, за заставляє рвати на голові волосся людей які хоть трохи тямлять на біології. Пропоную до вашої уваги три шляхи якими буде рухатись біоінженерія в цьому напрямку. І є принципова різниця між трьома підходами.

Перший — виростити організм, максимально прискоривши природний розвиток.

Другий — не просто чекати, поки біологія все зробить сама, а активно керувати морфогенезом, паралельно вирощуючи й формуючи тканини.

Третій — майже повністю відмовитися від росту й зібрати тіло як складний промисловий виріб.

Це три різні технологічні рівні: морфогенетичний інкубатор, морфогенетичний фабрикатор і молекулярний асемблер.

Числа нижче — не прогноз майбутньої біотехнології, а контрольні порядки величин для hard SF. Вони потрібні не для того, щоб вгадати конструкцію машини XXV століття, а щоб зрозуміти, де саме лежать її справжні обмеження: у часі, енергії, теплі, інформації чи точності керування.

Що саме ми намагаємося зробити

Візьмемо максимальну задачу.

Потрібно отримати доросле людське тіло масою близько 70 кг.

Сировина вже підготовлена: вода, амінокислоти, ліпіди, вуглеводи, нуклеотиди, солі, мікроелементи. Тобто машина не синтезує людину з каменю, повітря й води.

Тіло повинно бути не просто шматком живої тканини.

Потрібні:

кістки, м’язи, судини, нерви, внутрішні органи, ендокринна система, імунітет, шкіра, репродуктивна система, мозок.

І все це має бути не лише правильної форми, а й у правильному функціональному стані.

Саме тут починається різниця між трьома шляхами.

Варіант перший. Морфогенетичний інкубатор

Це найближчий до звичайної біології шлях.

Машина не будує людину безпосередньо. Вона створює середовище, в якому організм будує себе сам.

У найпростішому варіанті ми стартуємо з клітин, запускаємо розвиток і забезпечуємо все необхідне:

кисень, поживні речовини, гормони, фактори росту, правильну температуру, механічне навантаження, видалення продуктів обміну.

Але звичайної штучної матки тут мало.

Доросле тіло масою 70 кг доведеться вирощувати набагато швидше за природний темп. Тому інкубатор поступово перетворюється на складну систему зовнішньої перфузії.

Серце майбутньої людини не зобов’язане самостійно прокачувати весь потік крові.

Легені не зобов’язані забезпечувати весь газообмін.

Нирки й печінка не зобов’язані одразу працювати на повну потужність.

Поки організм формується, частину функцій бере на себе машина: зовнішні насоси, оксигенатори, теплообмінники, фільтрація, діаліз, контроль поживної суміші.

Інкубатор також повинен механічно навантажувати тіло. Кістка, яка ніколи не працювала під навантаженням, не буде нормальною кісткою. М’яз, який не скорочувався, не буде нормальною дорослою м’язовою тканиною. Сухожилля, суглоби й навіть судини формуються під впливом механіки.

Тому людина в такому апараті не просто плаває в рідині. Її майбутнє тіло закріплене в керованій рамі, яка рухає суглобами, навантажує кістки й стимулює м’язи.

Скільки це може тривати

Якщо намагатися залишатися максимально близько до біології, я б закладав кілька місяців.

Умовні шість-дев’ять місяців для дорослого тіла — вже надзвичайно агресивний режим, але його ще можна пояснювати тим, що ми не чекаємо нормального дитячого розвитку, а керуємо живленням, перфузією й ростом безпосередньо.

Головне обмеження тут — сама швидкість клітинного поділу, диференціації та формування тканин.

Енергія

Хімічна енергія, запасена в готовому 70-кілограмовому тілі, — порядок одного гігаджоуля.

Ще частина енергії піде на синтез білків, транспорт речовин, поділ клітин, підтримання мембран, виправлення помилок і роботу всього метаболізму.

Але при тривалості в кілька місяців середня теплова потужність самого росту виходить не фантастичною — порядок сотень ватів.

Основну енергію споживає не тіло, а машина навколо нього.

Для hard-SF оцінки можна закласти порядок 5–20 ГДж на один цикл, тобто кілька мегават-годин.

Для промислової цивілізації це не проблема.

Інформація

Інкубатор має величезну перевагу: він не зберігає повний кресленик людини.

Біологія сама є алгоритмом розпакування.

Геном людини в грубому двобітному кодуванні займає всього порядок гігабайта. Практичний генетичний профіль із варіантами, аннотаціями та медичними даними буде значно більшим, але все одно це не петабайти.

Машині не потрібно знати координату кожної клітини.

Їй достатньо контролювати великі структури й фізіологічні параметри:

геометрію органів, кровотік, насичення киснем, температуру, гормональні сигнали, концентрації факторів росту.

Тому робоча модель такого організму може вкладатися в десятки терабайтів, а архів усієї телеметрії — у сотні терабайтів або одиниці петабайтів.

За сучасними мірками це великий сервер, але не щось принципово незбагненне.

Варіант другий. Морфогенетичний фабрикатор

Тут ми перестаємо просто створювати умови для росту.

Ми починаємо активно керувати формою.

Фабрикатор знає, де повинна з’явитися велика судина, куди має рости нерв, якою повинна бути геометрія кістки, де формується сухожилля і яку орієнтацію мають отримати м’язові волокна.