Як зібрати людину

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.

Частину великих структур можна створювати біодруком або тимчасовими каркасами.

Наприклад, машина формує магістральну судину, а дрібну капілярну мережу тканина добудовує сама.

Або створює геометрію майбутньої кістки, після чого остеобласти заповнюють її живим матриксом.

Тобто принцип такий:

машина задає архітектуру, біологія виконує дрібну роботу.

Це вже не інкубатор, а справжня фабрика.

Паралельність

Головний спосіб виграти час — не змушувати весь організм рости послідовно.

Тисячі тканинних зон можуть розвиватися паралельно.

Печінка, нирки, м’язові масиви, шкіра, судинні сегменти й частини скелета отримують окремі контури перфузії та окреме керування.

Організм поступово збирається в єдину систему.

Скільки це може тривати

Для дуже розвиненої цивілізації я б поставив діапазон 20–60 діб.

Менше вже стає важко пояснювати тільки біологічним ростом.

Клітинні цикли, дозрівання тканин і формування складних структур нікуди не зникають.

Енергія

Сам біосинтез не вимагає на порядок більше енергії лише тому, що ми прискорили процес.

Але різко зростає потужність обладнання.

Потрібні насоси, охолодження, активний синтез компонентів, десятки або сотні зон перфузії, безперервне сканування, механічна стимуляція і керування.

Для фантастичної інженерної оцінки я б заклав 10–50 ГДж на одне тіло, тобто кілька-десяток мегават-годин.

Середня електрична потужність установки — вже одиниці або десятки кіловат.

Знову ж таки, для розвиненої промислової цивілізації це майже дрібниця.

Інформація

А ось тут починається справжній стрибок.

Фабрикатору вже недостатньо знати, що «ось тут росте нога».

Він підтримує просторову карту організму.

Якщо середня керована роздільна здатність порядку 100 мікрометрів, у 70 літрах об’єму маємо десятки мільярдів просторових елементів.

У кожному треба зберігати хоча б частину параметрів:

тип тканини, стадію розвитку, температуру, кисень, концентрації сигнальних речовин, механічне напруження, локальний кровотік.

Одна поточна модель може займати терабайти або десятки терабайтів, а при детальному контролі мозку й складних органів — уже петабайти.

Тому фабрикатор — це не просто медична капсула.

Поруч із ним стоїть невеликий дата-центр.

Десятки терабайтів оперативної пам’яті, петабайти локального сховища, масиви прискорювачів, незалежні контролери реального часу.

Обчислювальна потужність — умовно від сотень терафлопс до кількох петафлопс.

Ці числа дуже залежні від алгоритмів, але порядок важливий: тут комп’ютер уже стає одним із ключових вузлів машини.

Варіант третій. Молекулярний асемблер

Асемблер відмовляється від головного припущення попередніх двох систем.

Він більше не чекає, поки організм виросте.

Він його виготовляє.

Не просить клітини кілька днів формувати кістку — створює кісткову структуру потрібної форми.

Не чекає, поки проросте велика судина — формує її.

Не вирощує м’яз із маленької колонії клітин — збирає готову тканину.

Це вже не біологічне вирощування в звичайному сенсі.

Це промислове виробництво живої матерії.

Але не атом за атомом

Найгірший варіант молекулярного асемблера — уявити маленького наноробота, який бере окремий атом і ставить його на потрібне місце.

У людському тілі близько (10^{28}) атомів.

Для складання такого тіла за години знадобилася б абсурдна кількість паралельних операцій.

Тому реалістичний фантастичний асемблер має бути ієрархічним.

Він не будує:

атом → атом → атом → людина.

Він працює так:

сировина → молекули → полімери → молекулярні комплекси → клітинні компоненти → клітини → тканини → органи.

Воду він бере вже готовою.

Амінокислоти не обов’язково синтезує з елементарних атомів.

Білки може виробляти окрема молекулярна фабрика.

Клітини збираються з типових модулів.

Тобто це радше надзвичайно розвинений автоматизований хімічний завод, ніж рій магічних наноботів.

Скільки це може тривати

Ось тут уже стають можливими години або дні.

Клітинний цикл перестає бути головною межею, тому що машина не чекає, поки одна клітина поділиться на дві.

Вона може паралельно створювати величезну кількість тканини.

Енергія

Фундаментальна хімічна енергія тіла нікуди не зникає.

Так само потрібні синтез молекул, транспорт речовин і контроль помилок.

Але є велика перевага: більшість тепла можна виділяти не в самому тілі, а в зовнішніх реакторах.

Якщо асемблер витрачає умовні 10–50 ГДж за кілька годин, це вже навантаження від сотень кіловат до кількох мегават.

Тобто сама камера може бути розміром із лікарняну капсулу, а за стіною працює інфраструктура невеликого заводу:

реактори, насоси, сепаратори, теплообмінники, чилери, система очищення сировини.

Головна проблема тут уже не загальна кількість енергії, а потужність і відведення тепла.

Інформація

І ось тут асемблер платить найвищу ціну.

Інкубатору достатньо знати правила росту.

Фабрикатору треба знати форму.

Асемблеру треба знати, що саме повинно знаходитися в кожній ділянці організму.

Людське тіло має порядок десятків трильйонів власних клітин.

Навіть якщо опис однієї клітини в дуже стислому процедурному форматі займає лише сотню байтів, повна клітинна карта вже дає петабайти.

А мозок робить проблему ще важчою.

У ньому приблизно 86 мільярдів нейронів і орієнтовно (10^{14}-10^{15}) синапсів.

Якщо нам потрібно не просто створити типовий мозок, а відновити конкретну особистість, доведеться знати щонайменше значну частину структури цих зв’язків і їхнього стану.

Навіть дуже стислий опис легко виходить у десятки петабайтів.

Якщо для особистості важливі тонкі молекулярні стани синапсів, клітинна епігенетика або інші невідомі сьогодні параметри, обсяг може піти в сотні петабайтів або ексабайти.

Тому хороший асемблер ніколи не зберігає координати кожного атома.

Він використовує процедурні шаблони.

Не «ось координати всіх молекул колагену».

А «ось рецепт колагенового волокна, ось його локальна геометрія, ось параметри цієї тканини».

Саме так інформаційна задача залишається величезною, але не абсурдною.

Який комп’ютер потрібен

Для швидкого асемблера центральний «ПК» взагалі погана модель.

Правильна архітектура буде розподіленою.

Центральна система визначає, що саме будується.

Регіональні контролери відповідають за органи й великі тканинні сегменти.

Локальні контролери керують молекулярними фабриками та перевіркою якості.

Якщо фінальний файл конкретної людини займає десятки або сотні петабайтів і має бути використаний за кілька годин, внутрішні потоки даних вимірюються терабайтами за секунду.

Тут уже потрібен не серверний шкаф.

Потрібен спеціалізований суперкомп’ютер, оптична внутрішня мережа і величезна кількість обчислень безпосередньо біля виконавчих модулів.

У чому принципова різниця

На перший погляд усі три машини роблять одне й те саме.

У капсулу надходить сировина.

На виході — людина.

Але технологічно вони протилежні.

Морфогенетичний інкубатор керує умовами.

Він не знає положення кожної клітини. Він знає, які умови треба створити, щоб організм сам прийшов до потрібного стану.

Основна обчислювальна система тут — сама біологія.

Морфогенетичний фабрикатор керує розвитком.

Він уже знає геометрію організму й активно виправляє траєкторію росту.

Біологія все ще виконує більшість дрібної роботи, але машина постійно втручається.

Молекулярний асемблер керує конструкцією.

Він не просить тканину сформуватися.

Він повинен знати, яку тканину треба зробити, де саме її розмістити і в якому стані вона має бути.

Тому при переході від першого варіанта до третього головним ресурсом стає не енергія.

Головним ресурсом стає інформація.

Морфогенетичний інкубатор зберігає правила.

Фабрикатор зберігає правила й просторову модель.

Асемблер зберігає правила, модель і значну частину індивідуального стану організму.

А що з мозком

Тут усі три технології впираються в окрему проблему.

Створити печінку — означає створити функціональний орган.

Створити мозок — недостатньо.

Потрібно вирішити, що саме ми хочемо отримати.

Нову людину?

Тоді можна виростити або зібрати типовий здоровий мозок і далі дозволити йому навчатися.

Копію вже існуючої людини?

Тоді потрібен інформаційний образ особистості.

Пам’ять, навички, моторні програми, характерні нейронні зв’язки.

І ми поки не знаємо, яка мінімальна фізична інформація потрібна, щоб точно відтворити особистість.

Саме тому «надрукувати тіло» й «надрукувати людину» — зовсім не одна задача.

Що така технологія робить із цивілізацією

Ось тут hard SF стає цікавішим за саму машину.

Тому що будь-яка з цих технологій — не просто новий медичний апарат.

Вона перебудовує суспільство.

Медицина перестає ремонтувати тіло

Якщо нову нирку можна виростити за тижні, трансплантологія змінюється повністю.

Якщо можна виростити нове тіло, ще сильніше змінюється сама логіка лікування.

Рак, травма хребта, зношені суглоби, тяжкі опіки й багато генетичних патологій перестають бути питанням ремонту конкретної тканини.

Постає питання:

що дешевше — відремонтувати старе тіло чи зробити нове?

У світі молекулярного асемблера багато сучасної медицини може виглядати так само архаїчно, як сьогодні ампутація без анестезії.

Старість стає технічною проблемою

Якщо особистість можна перенести в новий мозок або точно відтворити його стан, старіння тіла перестає бути остаточною межею.

Можна замінити орган.

Потім кілька органів.

Потім усе тіло.

І далі цивілізація повинна відповісти на значно складніше питання:

що саме має залишитися безперервним, щоб людина залишалася тією самою людиною?

Людина стає інформаційно-матеріальним об’єктом

Для інкубатора це ще не обов’язково.

Для асемблера — майже неминуче.

Якщо є файл, достатній для створення конкретної людини, його можна:

зберегти, передати, скопіювати, зашифрувати, викрасти, пошкодити.

Тоді резервна копія особистості стає не метафорою, а інженерною задачею.

А разом із нею виникають питання:

коли копія стає окремою людиною;

хто успадковує майно;

чи можна відновити загиблого;

скільки копій однієї людини дозволено;

хто має право змінювати файл перед друком.

Це вже не біотехнологія.

Це конституційне право.

Міжзоряна колонізація змінюється радикально

Якщо дорослу людину можна відтворити з інформації й сировини, перевозити живих людей між зорями може бути просто невигідно.

До іншої системи летить автоматичний комплекс:

енергетика, асемблер, запаси сировини, роботи, база даних людей.

Після прибуття він будує інфраструктуру.

А потім — населення.

Міжзоряна колонізація перетворюється з транспортування людей на транспортування виробничої системи та інформації.

У такій цивілізації файл людини може подорожувати зі швидкістю зв’язку, тоді як матерія для її тіла вже лежить на місці.

Генетика стає частиною інженерного проєкту

Якщо машина все одно створює тіло, постає дуже небезпечне й дуже цікаве питання:

навіщо обмежуватися стандартною людиною?

Можна змінити:

стійкість до радіації;

структуру кісток;

обмін речовин;

роботу імунітету;

терморегуляцію;

адаптацію до іншої атмосфери або гравітації.

І якщо ці зміни потрапляють у статеві клітини, різні колонії поступово починають створювати різні спадкові популяції.

Молекулярний асемблер може виявитися не просто машиною для друку людей.

Він може стати машиною видоутворення.

Економіка теж змінюється

Для такої цивілізації цінність зміщується.

Менше значить сам матеріал.

70 кг води, вуглецю, азоту, кальцію й інших елементів — дешеві.

Навіть десятки гігаджоулів енергії для розвиненої енергетики — не катастрофа.

Справжню цінність мають:

точні біологічні моделі;

перевірені генетичні шаблони;

файли особистостей;

програмне забезпечення фабрикатора;

контроль якості;

право запуску виробництва.

Тобто людина фізично може складатися з дуже дешевої сировини й одночасно бути одним із найдорожчих інформаційних об’єктів цивілізації.

Де тут межа hard SF

Межа тут проходить не стільки між «можливо» і «неможливо», скільки між тим, скільки роботи ми залишаємо самій біології, а скільки змушена взяти на себе машина.

Морфогенетичний інкубатор у цьому сенсі найближчий до звичних принципів біології. Він потребує фантастично розвиненої медицини, систем перфузії, контролю розвитку та прискореного росту, але використовує фундаментальний принцип, який уже існує в природі: організм значною мірою будує себе сам. Машина не створює кожну структуру безпосередньо, а створює умови, в яких клітини можуть пройти правильний шлях розвитку.

Морфогенетичний фабрикатор робить наступний крок. Тут уже недостатньо просто підтримувати ріст — потрібно активно керувати самим процесом формування організму. Машина повинна знати, де мають проходити великі судини, як повинні розташовуватися тканини, коли потрібно запускати або зупиняти певні етапи розвитку. Проте основну частину роботи все ще виконує біологія: клітини самі будують складні структури, а машина лише спрямовує цей процес.

Молекулярний асемблер переходить у зовсім іншу область. Тут організм уже не просто розвивається під контролем, а фактично виготовляється. Машина повинна не тільки вміти працювати з живою матерією на клітинному й молекулярному рівнях, а й мати достатньо точний опис того, що саме вона створює. Саме тому головним обмеженням стає не стільки енергія чи сировина, скільки інформація.

Енергію для такого виробництва теоретично можна отримати. Десятки гігаджоулів для розвиненої цивілізації — це не принципова проблема. Тепло можна відводити через зовнішні системи охолодження, а необхідні речовини — виробляти або зберігати заздалегідь. Значно складніше створити достатньо точну модель організму: не просто загальну схему людського тіла, а конкретний функціональний стан кожної складної системи. А якщо мова йде про відтворення особистості, проблема переходить від біології до інформаційної науки.

Тому різницю між трьома технологіями можна сформулювати коротко:

Інкубатор створює умови.

Фабрикатор керує розвитком.

Асемблер повинен знати кінцеву конструкцію.

І саме третій варіант змінює не лише медицину. Якщо цивілізація здатна достатньо точно описати людину, передати цей опис і створити нове тіло з доступної сировини, змінюються самі основи суспільства.

Постають нові питання про народження, смерть, особистість, копіювання, спадковість і навіть про роль відстані між зоряними системами.

Бо в такій цивілізації подорожувати можуть уже не люди.

Подорожувати може інформація про людей.