Смерть - это злодеяние

Примечание: исходная лекция занимает в общей сложности 442 МБ, так что нецелесообразно выкладывать здесь все материалы (особенно клипы). Проблемы в связи с авторским правом также мешают показать здесь многие другие изображения, хотя, некоторые из них можно найти на сайте автора: Nanomedicine Art Gallery.

За то время, пока я произношу это предложение, по всему миру только что умер десяток людей. Так-то вот. Ещё десять человек погибло. Я думаю, это настоящее злодеяние. Я хочу рассказать вам, почему я так думаю и что может сделать наномедицина, чтобы помочь.

Число жертв в мире в 2001

Давайте посмотрим на размеры того человеческого холокоста, который мы называем .

Наибольшее количество смертей в 2001 г. было в Индии. Свыше 9 миллионов потерь. В Китае куча трупов была почти столь же высокая. На третьем месте были Соединенные Штаты - 2,4 миллиона смертельных случаев. 21 страна потеряла больше полумиллиона жизней каждая. В этих 21 стране были представлены все культуры, расы, вероучения и континенты. В 2001 г. число потерь из всех 227 стран на Земле составило почти 55 миллионов людей, из которых около 52 миллионов пострадали не из-за человеческих действий; это не были несчастные случаи, самоубийства, или войны. Это были случаи смерти.

Даже наиболее широко признанные величайшие бедствия в человеческой истории блекнут в сравнении с естественной смертью. Например, тайфун, который пронёсся через Бангладеш в 1970 г., унес миллион жизней. В 1232 г. н. э. Чингиз Хан сжёг до основания персидский город Герат. Орде монголов потребовалась целая неделя, чтобы перебить 1,6 миллионов жителей. Эпидемия чумы забирала 15 миллионов в год, а Вторая мировая война - 9 миллионов в год, обе длились по пять лет. Всемирная эпидемия гриппа 1918 года истребила менее чем 22 миллиона людей - что не составляет и половины ежегодных потерь в результате естественной смерти.

Естественная смерть унесла в прошлом году 52 миллиона жизней. Мы можем только заключить, что естественная смерть является величайшей катастрофой, с которой когда-либо сталкивалось человечество.

Конечно, каждый из нас жестоко страдает от естественной смерти из-за очевидных личных последствий. Но мы редко задумываемся, какова цена смерти каждого из нас для всего человечества - а она поистине ошеломительна и надрывает сердце.

Внутри каждого из нас огромный сложный мир знания, жизненного опыта и человеческих взаимоотношений. Каждому человеку даруется уникальный взгляд на мир, которым не обладает больше никто. Большая часть всех этих богатых сокровищ информации навсегда утрачивается для человечества, когда мы умираем. Этот кладезь знаний поистине громаден. Если обширное содержание каждой человеческой жизни свести всего лишь к одной книге, тогда получится, что каждый год естественная смерть отнимает у нас 52 миллиона книг со всего света. Но Библиотека Конгресса в Соединенных Штатах - крупнейшее в мире собрание печатных книг - содержит всего лишь 18 миллионов томов. Так что, каждый год мы допускаем уничтожение знания, эквивалентное трём Библиотекам Конгресса.

• 1 человек ~ 1 книга
• 52 000 000 человек умерли от в 2001 году - ~52 000 000 книг уничтожено
• В Библиотеке Конгресса хранится ~18 000 000 книг
• Потеряно в 2001: эквивалент ~3-х Библиотек Конгресса

Это как если бы в 2001 г. кто-то сжег бы Библиотеку Конгресса до основания. Один раз в январе. Затем снова в мае. И снова в сентябре. 52 миллиона книг сгорает в огне. А затем в 2002 г. они снова сгорают дотла. Трижды. И снова в 2003 г.

Но хуже всего то, что если признать, что знания каждого человека в целом могли бы заполнить множество книг, а не одну, то вы должны согласиться с тем, что потеря знаний в действительности намного страшнее, чем мы предположили сначала.

Помимо этой ошеломляющей информационной жертвы, естественная смерть также в грандиозном масштабе уничтожает материальные ценности. По данным фонда Альберта и Мэри Ласкеров, с середины 1970-х гг. авторы примерно десятка научных работ, используя различные методологии, рассчитали, что ценность человеческой жизни находится между 3 и 7 миллионами долларов. Совсем недавно Мерфи и Топель из Чикагского университета нарисовали этот график (который я обновил для 2000 года), показывающий ценность в долларах человеческой жизни для каждого возраста. Он учитывает, что в старости нам остаётся меньше всего лет. Но это лишь одна сторона проблемы.

Зависимость ценности человеческой жизни в США в от возраста, 2000
Ценность жизни (в постоянных долларах)
	Календарный возраст (лет)

Источник: К. М. Мерфи, Р. Топель, Экономическая ценность медицинских исследований, 1999

Этот график показывает оценки отдела переписи числа людей, которые умерли в Соединенных Штатах в 2000 г., из каждой возрастной группы, год за годом. Если вы, исходя из этого графика, умножите уровень смертности для каждого возраста на ценность каждого возраста в долларах, то из предыдущего графика вы получите экономические потери, вызванные естественной смертью в каждой возрастной группе. Сумма этих экономических потерь, поделенная на целое число умерших, дает среднюю экономическую ценность утраченной человеческой жизни.

Число человеческих смертей в США для разных возрастов, 2000
Число смертей
	Календарный возраст (лет)

Бюро переписей США

В результате средняя ценность каждой утраченной человеческой жизни равняется примерно 2 миллионам долларов. Если мы предположим, что популяционная возрастная структура и специфическая возрастная смертность во всем мире такая же, как и в Соединенных Штатах (что занизит окончательный результат), то во всем мире естественная смерть 52 миллионов людей в 2001 г. составляет экономическую потерю около 100 триллионов долларов. Каждый год.

Насколько большим экономическим бедствием это является? Взяв цифры Федеральной Резервной Системы для всего материального богатства Соединенных Штатов, включая все финансовые активы, все недвижимое имущество и все товары длительного потребления, за вычетом общей задолженности, и поделив на долю США в мировом ВВП, мы получим оценку мирового материального богатства в размере 91 триллион долларов. Таким образом, это значит, что каждый год естественная смерть отнимает у нас человеческий капитал, эквивалентный по стоимости совокупному материальному богатству всего мира.

• 1 человек ~ $2 млн.
• 52 000 000 человек умерли от в 2001 - ~$100 триллионов человеческого капитала уничтожено
• Чистая стоимость материальных активов в мире ~$91,35 трлн (2000)
• Потеряно в 2001: Человеческий капитал, эквивалентный стоимости всех материальных ценностей в мире

Это как если бы в 2001 г. кто-то достал бы гигантскую метлу и смёл все материальные активы человеческой цивилизации в космический мусорный бак, а затем опустошил бы его. Это 100 триллионов долларов финансовых активов, недвижимого имущества и товаров длительного потребления. Все это потеряно. А затем в 2002 г. гигантская метла сметает все снова. Уничтожаются ещё 100 триллионов долларов человеческого капитала, что в 3 раза превышает 33 миллиона долларов ежегодной экономической деятельности, представленной мировым ВВП. В 2003 г. все это происходит снова.

Но масштаб экономического бедствия, причиненного естественной смертью, даже выше, если мы переместимся назад сквозь историю. С тех пор, как впервые появился современный человеческий вид, примерно 25 тысячелетий назад, по Земле прошло 34 миллиарда людей, и 28 миллиардов из нас уже умерли. Эквивалентная потеря информации - это более 28 миллиардов книг - достаточно, чтобы заполнить почти 2000 Библиотек Конгресса США. Эквивалентная экономическая потеря составляет около 60 тысяч триллионов долларов - достаточно, чтобы заново отстроить нашу сегодняшнюю цивилизацию 600 раз. Если вы перенесете точку отсчёта на миллионы лет назад, к самому становлению человека, все эти цифры примерно удвоятся. Естественная смерть является беспрецедентным бедствием в человеческой истории.

Итак: что же делается для решения этой проблемы? Давайте рассмотрим прогресс на настоящий момент со статистической точки зрения.

Этот график, построенный по данным отдела переписи, показывает, что за последние полтора столетия ожидаемая длительность жизни от рождения разительно поднялась в Соединенных Штатах. Новорожденный ребенок в 1850 г. мог бы рассчитывать прожить только до 38 лет, а сегодня он может достигнуть возраста свыше 75 лет. Чтобы оценить продолжительность жизни, я использую ожидаемый возраст смерти, который равняется вашему сегодняшнему возрасту плюс ожидаемая продолжительность оставшейся вам жизни.

Ожидаемый возраст на момент смерти в США (текущий возраст + ожидаемая продолжительность жизни)
Возраст на момент смерти (лет)
	Календарный год

Но медицинская технология 20-го столетия главным образом увеличила продолжительность жизни очень молодых. С 1850 г. ожидаемый возраст смерти для 40-летних увеличился только с 68 до 77 лет. Ожидаемый возраст смерти для 70-летних увеличился только с 80 до 83 лет. Иначе говоря, шансы 70-летних прожить еще 10 лет в 1850 г. были примерно такими же, как и сегодня. Прогресс небольшой. Но давайте повнимательнее посмотрим на эти данные.

Декадное увеличение ожидаемой при рождении продолжительности жизни в США (По вертикали отложено увеличение продолжительности жизни за декаду), лет
	Календарный год

На этом графике показана скорость изменения ожидаемой продолжительности жизни начиная с 1850 г., рассчитанная как прирост продолжительности жизни в годах, достигнутый, благодаря прогрессу медицины за 10 лет календарного времени. Если бы мы могли достичь скорости продления жизни 10 лет продления жизни за 10 лет времени, то тогда медицинская технология продлевала бы жизнь ровно с той же скоростью, с которой мы стареем, неограниченно отдаляя естественную смерть. Из графика мы видим, что скорость изменения ожидаемой продолжительности жизни возрастала до 1890 г. только на 1 год в декаду. После 1890 г. темпы изменения ожидаемой продолжительности жизни у новорожденных значительно подскочили, достигнув более чем 6 лет за декаду на пике в 1925 г. Это произошло, благодаря быстрому введению в практику нескольких основных медицинских открытий, таких как повсеместное использование водопровода и канализации, всеобъемлющие программы вакцинации,а, позднее, антибиотики.

Заметьте, что скорость роста увеличилась с 0,8 до 4 лет с 1890 по 1900 гг, то есть в пять раз за 10 лет. Скорость роста подскочила с 2 до 6 лет в десятилетие в течение 1910-1925 гг., то есть увеличилась втрое за 15 лет. Таким образом, мы видим, что продолжительность жизни может увеличиваться очень быстрыми темпами, когда мы внедряем новые технологии для решения этой проблемы. Иначе говоря, история говорит нам, что сегодняшний уровень прогресса - 2,3 года в декаду - мог бы, вероятно, учетвериться и достигнуть пороговых 10 лет в декаду через 10-20 лет, начиная от сегодняшнего дня, если новые ресурсы и новые медицинские технологии будут направлены на увеличение продолжительности жизни.

Смертность, мужчины всех возрастов, США
Смертей на человека в год
	Календарный год

Обеспокоенные родители и страховые агенты часто жалуются, что молодые думают, будто они бессмертны. Ну, в некотором смысле, молодежь частично права! Она является возрастной группой, в отношении которой можно обоснованно говорить, что радикальное продление жизни уже достигнуто, если использовать существующие медицинские технологии. Чтобы лучше всего оценить это достижение, нам нужно несколько минут поговорить об уровне смертности.

График показывает суммарный уровень смертности для мужчин всех возрастов в Соединенных Штатах с 1850 по 2000 гг. В 1850 г. у каждого мужчины был 2% шанс умереть на следующий год. К 2000 г. у каждого мужчины был 1% шанс умереть в следующем году. Таким образом, за 150 лет уровень смертности сократился наполовину. В результате:

Оценочный и фактический ожидаемый возраст на момент смерти, лет (мужчины в США, при рождении)
	Календарный год

... ожидаемая продолжительность жизни с момента рождения приблизительно удвоился - с 38 лет в 1850 г. до более чем 75 лет в 2000 г., как показывает черная кривая.

Для оценки ожидаемого возраста смерти можно предложить простую формулу (приведённую ниже красным цветом).

Ожидаемый возраст к моменту смерти = возраст сегодня + ln(2) / смертность (в %)

Эта формула является отражением того очевидного факта, что сокращение уровня смертности вдвое примерно удваивает ожидаемую продолжительность жизни, измеренный, отсчитывая от сегодняшнего возраста человека. Данная формула использует единый уровень чистой смертности для всего населения и для всех возрастов. Это важный момент, потому что, на самом деле, уровень естественной смертности человечества зависит от нашего физиологического возраста. Уровень смертности обычно повышаются с увеличением возраста, за исключением поздней старости.

Смертность (мужчины в США в возрасте от 1 до 4 лет
Смертей на человека в год
	Календарный год

До настоящего времени медицинская технология сильнее всего повлияла на продолжительность жизни за счёт предотвращения детской смертности, особенно между 1 и 4 годами. В 1850 г. 2,4 % маленьких детей в этой возрастной группе имели вероятность умереть в следующем году. Сегодня вероятность умереть в следующем году для этих детей сокращена с 2,4 до 0,04 %. Это феноменальное сокращение в 60 раз.

Что, если будущие медицинские технологии позволят нам сначала приостановить, а затем обратить биологический эффект старения? В таком будущем наши тела больше не будут скатываться вниз по лестнице вырождения и дряхления. Вместо этого наш статистический уровень смертности приобрел бы относительно постоянное значение, которое соответствовало бы нашей физиолого-возрастной, а не календарной группе. Биологический возраст не шагал бы больше нога в ногу с календарным возрастом. Так насколько дольше мы могли бы жить, если бы мы могли сохранить свои тела в том состоянии, в котором они были во время нашей молодости?

Ожидаемый возраст на момент смерти при не зависящей от возраста смертности (смертность среди мужчин в возрасте от 1 до 4 лет), лет
	Календарный год

Ну, в 1850 г. в США смертность для мальчиков в возрасте от 1 до 4 лет предполагала, согласно нашей формуле, ожидаемый возраст смерти всего 31 год. То есть, если бы в 1850 г. какой-то ребенок мог физиологически оставаться в возрасте 1-4 лет вечно, то он умер бы в среднем после 31 года. В те дни раннее детство было еще очень болезненным и опасным.

По мере того как медицинская технология постепенно совершенствовалась, детство стало намного менее опасным периодом. Большинство отдельных причин смерти в раннем детстве на сегодня уже проанализированы и преодолены. В результате ребенок, которому биологически было бы примерно 1-4 года, сегодня не умер бы в среднем до тех пор, пока он не достигнет календарного возраста в 1800 лет. Смерть обычно происходила бы от некой формы немедицинского несчастного случая, которые являются главной причиной смерти вплоть до 44-летнего возраста.

Конечно, большинству из нас не 1-4 года. Как долго мы могли бы жить, если бы мы могли остановить какое-либо дальнейшее биологическое старение наших тел прямо сейчас, в нашем сегодняшнем возрасте?

Ожидаемый возраст на момент смерти при не зависящей от возраста смертности (смертность среди мужчин в возрасте от 1 до 44 лет), лет
	Календарный год

Вот ответ для различных групп биологических возрастов до 44 лет.

10-летние среди нас прожили бы больше всего, достигая среднего ожидаемого возраста смерти, превосходящего 3000 лет. 20-летние достигли бы 600 лет. Жизнь стала бы менее опасной даже для 40-летних, которые могли бы оставаться в живых до среднего календарного возраста в 300 лет в сегодняшней медицинской обстановке, если дальнейшее биологическое старение могло бы быть немедленно остановлено. Это замечательные достижения медицины по сравнению с 1850 г. - временем, когда ни одна из этих групп не смогла бы оставаться в живых дольше, чем 80-100 лет. Заметим, что все эти кривые и особенно кривые для молодых групп начали свой резкий подъем к увеличенной продолжительности жизни во второй половине 19 века.

Ожидаемый возраст на момент смерти при не зависящей от возраста смертности (для мужчин в возрасте от 35 до 84 лет), лет
	Календарный год

Если вам за 45, картина пока не является столь же блестящей. Не достигшие 50-летнего биологического возраста могли бы жить до возраста в 178 лет. Не достигшие 60-летнего возраста могли бы только рассчитывать дожить до 113 лет в сегодняшней медицинской обстановке.

Но эти новости не так плохи для престарелых. Уровень смертности 80-летних мужчин в США понизился на 45% в течение последнего столетия. Так что определённый прогресс, безусловно, есть. Проблема в том, что абсолютный уровень естественной смертности все еще является столь высоким среди престарелых, что ожидаемый возраст смерти все еще отодвинут незначительно.

Распределение населения США по возрастам (1850-2030)

Помните те кривые ожидаемого возраста смерти для мальчиков, которые начали свой крутой подъем в сторону увеличенной продолжительности жизни в конце 19 столетия? Наибольший рост был в группе 1-10 лет, где уровень смертности упал от 30 до 60 раз. Этот рост начался в то время, когда эта возрастная группа составляла от 20 до 30 % населения в Соединенных Штатах. Случаи ранней смерти в этом гигантском демографическом всплеске были в то время большой заботой медиков-исследователей, которые бросили свои силы на решение этой проблемы.

Я думаю, история скоро повторится, но в этот раз на противоположном конце возрастной шкалы. В Соединенных Штатах люди в возрасте свыше 60-ти лет уже являются крупнейшую возрастную группу, включая 16,5% населения, а к 2015 г. эта группа увеличится до 20-30% населения Соединенных Штатов (и продолжит расти). Как и ранее, этот демографический подъём обеспечит финансирование и заставит учёных сосредоточиться на решении проблемы преждевременной смерти среди очень старых.

Число рождений на одну смерть, развитые страны
	Календарный год

Существует и другая общественная причина для сокращения уровня смертности. По мере того, как страны становятся более индустриализированными, их уровень рождаемости снижается. В развитом мире количество рождений на одну смерть снижалось в течение десятилетий. Во многих странах ежегодная смертность уже превышает рождаемость, что, в конце концов, означает установку на национальное вымирание. Чтобы избежать катастрофического падения численности населения, эти страны должны озаботиться этой проблемой и сократить уровень смертности до уровня ниже снижающегося уровня рождаемости.

Что такое наномедицина?
"Сохранение и улучшение здоровья человека, используя молекулярные инструменты и знания о функционировании человеческого тела на молекулярном уровне". Роберт Фрайтас мл., Наномедицина, том 1, 1999 http://www.nanomedicine.com

Наибольший успех в приостановлении биологического старения и предотвращения естественной смерти, скорее всего, будут вызваны прогрессом в области биотехнологии и нанотехнологии. То есть, в наномедицине. Под наномедициной понимается сохранение и улучшение человеческого здоровья с использованием молекулярных инструментов и знания человеческого тела на молекулярном уровне.

В ближайшее время, скажем, в следующие 5 лет, молекулярные инструменты наномедицины будут включать биологически активные материалы с чётко определённой наноструктурой, такие как органические устройства, основанные на дендримерах, и лекарства, основанные на фуллеренах и органических нанотрубках. Мы также увидим как генная терапия и тканевая инженерия станут всё более обычными в медицинской практике.

В среднесрочной перспективе - в следующие 5, 10 или около того лет, знания, полученные из генетики и протеиномики, сделают возможными новые методы лечения, индивидуально подбираемые для каждого человека, новые лекарства, целенаправленно воздействующие на патогены, чьи геномы уже расшифрованы, терапию стволовыми клетками, направленную на восстановление поврежденных тканей, восстановление утраченных функций органов и замедление старения, и биологические роботы, сделанные из бактерий и других подвижных клеток с перестроенными и перепрограммированными геномами. Мы также можем увидеть искусственные органические устройства, включающие в себя биологические моторы и самособирающиеся структуры на основе ДНК, пригодные для разнообразных медицинских целей.

Молекулярные части

В дальнейшем, возможно, где-то в пределах 10 или 20 лет, в области медицины начнут появляться первые плоды молекулярной наноробототехники.

Моя собственная теоретическая работа в области наномедицины сконцентрирована на медицинских нанороботах, использующих алмазоидные материалы и наночасти. Эта область, хотя и является пока наиболее далёкой от клинической практики и наиболее теоретической, возможно, имеет наибольшие перспективы для продления здоровья и жизни.

Многие из вас, вероятно, видели результаты ранней теоретической работы, выполненной Дрекслером и Мерклем, включая эту коллекцию подшипников, шестерёнок и других возможных частей нанороботов.

Неоновый насос

Их наиболее сложным изобретением был неоновый нанонасос, имеющий свыше 6 тысяч атомов, который позднее был опробован на компьютерной симуляции специалистами по вычислительной химии в Калифорнийском технологическом институте. В левой верхней части рисунка видно лопастное колесо насоса. Внизу слева оно вставляется в стенку камеры, сделанную из алмазоида. Сконструированное в Калифорнийском технологическом институте моделирующее устройство как раз показывает, что неоновые атомы, изображенные синим цветом, медленно продвигаются через устройство.

Для создания медицинских нанороботов партиями в триллионы устройств достаточно дешевых, чтобы можно было использовать их для медицинской терапии, нужная какая-то производственная технология. Был предложен ряд подходов к созданию молекулярных сборщиков - крошечных устройств, которые могли бы изготавливать нанороботы с атомарной точностью. Видео показывает один подобный подход к массовому производству, названный экспоненциальным сборщиком, который предложили в компании Zyvex. Ральф Меркль и я тоже работаем над нашим собственным проектом молекулярного сборщика в Zyvex.

Респироциты

Какого рода медицинские нанороботы мы могли бы создать и что бы они делали, если бы мы могли создать их? Первым устройством, которое я смоделировал, был респироцит - искусственный эритроцит. Я показываю их здесь голубыми, потому что часть их оболочки изготовлена из сапфира - материала, который является почти таким же твердым, как алмазоид.

Естественные красные кровяные клетки переносят кислород и диоксид углерода по всему человеческому телу. У нас около 30 триллионов этих клеток во всей крови. Половина объема нашей крови - это красные кровяные клетки. Каждая красная кровяная клетка имеет около 3 микронов в толщину и 8 микронов в диаметре.

Респироциты намного меньше, чем красные кровяные клетки - только 1 микрон в диаметре, размером примерно с бактерию. Респироциты - это микроскопические резервуары высокого давления с корпусом, изготовленным, в основном, из безупречного алмазоидного кристалла. Давление в таких резервуарах можно легко доводить до 100000 атмосфер, но мы будем осторожными и доведем его только до 1000 атмосфер.

Респироциты являются автономными нанороботами, созданными из 18 миллиардов точно установленных атомов. Каждое устройство содержит бортовой компьютер и бортовую энергетическую станцию. Но что наиболее важно, на поверхности расположены молекулярные насосы, задача которых нагнетать и выпускать газы из находящихся под давлением резервуаров. Десятки тысяч отдельных насосов, которые называют молекулярными сортирующими роторами, покрывают значительную часть поверхности корпуса респироцита.

Мы смотрим на крупный план некоторых роторов на поверхности респироцита. Красные - это молекулы кислорода, голубые - молекулы диоксида углерода. Молекулы растворителя - воды - не показаны. Алмазоидный ротор - это диск, показанный жирным черным цветом, и он вращается вперед. Поскольку ротор вращается, молекулы СО₂ дрейфуют в связывающие участки на поверхности ротора и переносятся внутрь респироцита.

План респироцита

Существует 12 идентичных насосных станций, таких как эта, выставленных по экватору респироцита с кислородными роторами слева, диоксидоуглеродными роторами справа и водными роторами посередине. Сенсоры температуры и концентрации сообщают устройству, когда следует выпустить или забрать газы. Каждая станция оснащена специальными сенсорами давления для приёма ультразвуковых сообщений, так что доктора могут давать команду устройствам включаться или выключаться, или менять их рабочие параметры, пока нанороботы находятся внутри пациента.

Срез респироцита

Затененная область слева - это резервуар с кислородом, область справа - это резервуар СО₂, черная точка в центре - это компьютер, а в открытой емкости вокруг компьютера может быть вакуум, или она может быть наполнена водой или быть пустой. Это позволяет устройству очень точно контролировать свою плавучесть и обеспечивает грубый, но простой метод удаления респироцитов из крови, используя центрифугу.

Мы не можем создать респироциты сегодня, но когда мы сможем сделать это, их можно будет использовать для экстренной помощи на месте пожара, когда жертва страдает от монооксидного отравления.

В этой анимации, взятой из документального фильма телеканала PBS , 5 см³ жидкости, содержащей респироциты, вводится в вену пациента. После того, как респироциты прошли через легочное русло, сердце и некоторые главные артерии, они продвигаются вперед во все меньшие и меньшие кровяные сосуды. Примерно через 30 секунд они достигают капилляров пациента и начинают выпускать живительный для умирающих от голода тканей кислород. В этих тканях кислород выкачивается из устройства посредством сортирующих роторов с одной стороны. Диоксид углерода накачивается в устройство сортирующими роторами с другой стороны, по одной молекуле.

Спустя полминуты, когда респироциты достигают легких пациента, эти же самые роторы меняют свое направление вращения, заново наполняя устройство свежим кислородом и разгружая запасенный СО₂, который пациент затем может выдохнуть.

Респироциты общим объемом всего лишь 5 см³, как раз 1 тысячная доля нашего общего объема крови, могли бы удвоить способность всей кровяной массы человека переносить кислород. Каждый респироцит транспортирует в сотни раз больше физиологически доступных молекул кислорода, чем равный объем естественных эритроцитов.

Пол-литра респироцитов, (это максимально безопасная доза), которые можно было бы добавить к нашей крови, позволили бы человеку задерживать дыхание на дне плавательного бассейна более 4 часов или бежать на предельной олимпийской скорости до 12 минут без единого вздоха.

Микробиворы

Другим медицинским нанороботом, который я смоделировал совсем недавно, является микробивор - искусственный лейкоцит. Если вы хотите изучить все технические детали, этот проект подробно описан в 60-страничной научной статье с сотнями ссылок на литературу, либо же вы можете узнать все на сайте rfreitas.com.

Одна главная задача естественных лейкоцитов - поглощать и переваривать вредных микробов в кровяном потоке. Это называется фагоцитозом. Нанороботы-микробиворы также осуществляли бы фагоцитоз, но действовали бы намного быстрее, более надежно и под человеческим контролем. Подобно респироциту, микробивор намного меньше, чем эритроцит. Но микробивор более сложен, чем респироцит, и состоит из примерно в 30 раз большего числа атомов. После того как я закончил изучение возможных размеров микробивора, совместно с художником-графиком Форестом Бишопом мы создали те изображения, которые вы здесь увидите.

Мы начинаем с модели корпуса. Микробивор является уплощенной сферой со срезанными концами. Он имеет размер свыше 3 микрон в диаметре вдоль своих больших осей и 2 микрона в диаметре вдоль малых осей. Этот размер позволяет гарантировать, что наноробот может благополучно пройти даже через самые узкие места в селезенке и где угодно.

Микробивор имеет рот, называемый заглатывающим отверстием, через который он поедает микробов, чтобы затем их переварить. Микробивор имеет также тыльный конец, или выходное отверстие. Это то место, где полностью переваренные остатки патогенов удаляются из устройства. Тыльная дверца открывается между главным корпусом устройства и хвостовой конусовидной структурой.

Внутри микробивора имеется 2 концентрических цилиндра. Бактерия измельчается на маленькие кусочки в меньшем внутреннем цилиндре - морцелляционой камере, а затем остатки выталкиваются в пищеварительную камеру - больший наружный цилиндр. В запрограммированной последовательности добавляются искусственно сконструированные пищеварительные энзимы, затем их удаляют с использованием сортирующих роторов. Эти энзимы разбивают микроб на простые химические вещества, такие как аминокислоты, свободные жирные кислоты и простые сахара.

Но первое, что должен сделать микробивор, - это поглотить патоген для переваривания. Если надлежащая бактерия сталкивается с поверхностью наноробота, обратимые связывающие участки на корпусе микробивора могут распознавать и слабо связываться с бактерией. Набора из 9 различных антигенных маркеров должно быть достаточно, чтобы точно идентифицировать микром, так как все 9 должны зарегистрировать факт положительной связи, чтобы подтвердить, что пойман нужный микроб.

Существует 20000 копий этих 9-маркерных наборов рецепторов, распределенных крест-накрест в 275 дисковидных областях поверхности микробивора. Эти рецепторы представлены разноцветными точками, которые вы видите по периметру каждого диска. Внутри рецепторного кольца находятся ещё роторы, предназначенные для того, чтобы абсорбировать из кровяного потока глюкозу и кислород, нужные для выработки энергии. В центре каждого рецепторного диска - шахта с захватывающими рычагами, до которого я вскоре доберусь. Каждый диск имеет в диаметре 150 нанометров.

Когда бактерия захвачена обратимыми рецепторами, телескопические захваты поднимаются с поверхности микробивора и прикрепляются к пойманной бактерии. Захваты микробивора моделируются по образцу этого водонепроницаемого рычага манипулятора, первоначально смоделированного Дрекслером для нанопроизводства. Этот рычаг около 100 нанометров длиной и имеет различные вращающиеся и выдвигающиеся соединения, которые позволяют менять его позицию, угол и длину.

Но захватам микробивора необходимы большие расстояние и амплитуда движения, так что они более сложные, со многими дополнительными сочленениями. Мы изучали время и движение захватывающих рычагов.

В этом первом исследовании (не показанном) захватывающий рычаг выходит сквозь поверхность микробивора. Эффектор на конце следует по линейной траектории справа налево, что грубо похоже на движение переноса микроба, которое будет использоваться нами. Затем захват втягивается обратно в свою шахту.

В этом втором исследовании (не показанном) захватывающий рычаг выходит из своей шахты и выполняет сложное вращательное движение.

Здесь мы показываем, что соседние захватывающие рычаги физически могут дотянуться друг до друга, что позволяет им передавать такие маленькие связанные предметы, как частица вируса (не показано).

Кадр слева - это небольшое исследование времени и пути (не показано) стандартных движений, которые могут использоваться последовательностью захватывающих рычагов для передачи пойманного микроба или вируса от одного захвата другому.

Правый кадр показывает, как эти передающие движения захватов могут переносить большую палочковидную бактерию с места ее первоначальной поимки вперед, в рот микробиворного устройства (не показан). Захваты поворачивают микроб в надлежащее положение по мере того, как он переносится к открытому рту.

Сейчас я хочу показать вам естественную белую кровяную клетку в действии. Этот видеоклип показывает человеческий нейтрофил - наиболее обычный тип лейкоцита, или белой кровяной клетки (это большая прямоугольная капля в центре изображения). Нейтрофил медленно движется между сферическими красными кровяными клетками, но в фильме также микроб стафилококка - маленькая темная точка вблизи верхнего левого угла нейтрофила. Когда я запущу видеоклип (не показан), следите за микробом, потому что кадр немного дрожит, чтобы оставаться в центре действия.

Белая кровяная клетка обнаруживает химические стоки, выделяемые бактерией, и начинает охоту. Этот кинофильм идет примерно в 10 раз быстрее, чем реальное время. Нейтрофил скользит со скоростью около 10 или 20 микрон в минуту, игнорируя красные кровяные клетки. Передовой рай лейкоцита достаточно жесткий, чтобы деформировать красные кровяные клетки и оттолкнуть их в сторону, как только он ударится в них. В конце концов, белая кровяная клетка поглощает бактерию. Хотя окончательное поглощение занимает всего лишь 30 секунд, полное переваривание и выделение остатков микроба может занимать час или более.

Теперь давайте посмотрим, как микробивор - искусственная белая кровяная клетка - выполняет ту же работу (не показано). Допустим, что в вашей крови плавает несколько палочковидных бактерий. Мы вводим соответствующую дозу микробиворов.

Нужная бактерия связывается с поверхностью микробивора, захваченная обратимыми связывающими участками. Выдвигающиеся захватывающие рычаги выходят из шахты на поверхность наноробота и заякориваются во внешней оболочке микроба, который затем отпускается связывающими участками. Захваты передают патоген по направлению к заглатывающему отверстию спереди устройства, где клетка заглатывается, поступая в морцеляционную камеру. Ирисовая диафрагма рта микробивора закрывается. Внутри бактерия механически измельчается, затем проталкивается в пищеварительную камеру, где переваривание завершается всего за 30 секунд. Безвредные остатки выпускаются обратно в кровяной поток в тыльной части устройства.

Нашим естественным белым кровяным клеткам даже с помощью антибиотиков иногда требуются недели или месяцы, чтобы полностью устранить бактерии из кровяного потока. Для сравнения, доза микробиворов могла бы полностью элиминировать имеющиеся в крови патогены всего лишь за несколько минут или часов, даже в случае локально плотной инфекции. Микробиворы были бы более чем в 1000 раз быстродействующими, чем естественные лейкоциты. Они переваривали бы более чем в 100 раз больше микробного материала, чем мог бы переварить равный объем естественных лейкоцитов в за равных период времени.

Возможны даже более мощные применения подобных устройств.

Хромосомозамещающая терапия

Большинство болезней вызываются дисфункцией на клеточном уровне, а функции клетки существенно контролируются экспрессией генов. В результате многие болезненные процессы приводятся в движение или дефектными хромосомами, или дефектной генной экспрессией. Так что, во многих случаях может быть наиболее эффективным извлечь существующие хромосомы из больной клетки и вставить на их место новые. Эта процедура называлась бы .

В этой процедуре ваши замещающие хромосомы будут производиться вне вашего тела под заказ, в настольном производственном клиническом устройстве, которое включает в себя молекулярную сборочную линию. Ваш индивидуальный геном используется как чертёж. По желанию пациента приобретенные или унаследованные дефектные гены могли бы замещаться недефектными последовательностями в процессе хромосомного производства, перманентно устраняя любые генетические заболевания, включая причины старения. Затем нанороботы должным образом устанавливают в каждую клетку тканей вашего тела метилированные замещающие хромосомы.

Дехронификация

• Удаление токсинов, накапливающихся в результате обмена веществ, с использованием респироцитов, микробиворов и других подобных внутриклеточных нанороботов во всех тканевых клетках
• Исправление генетических повреждений с использованием терапии хромосомной замены во всех тканевых клетках
• Исправление устойчивых структурных клеточных повреждений с использованием ремонтных клеточных устройств во всех тканевых клетках

Продолжающееся замедление биологического старения Уменьшение текущего биологического возраста

Конечный результат всех этих наномедицинских достижений должен будет обеспечить процесс, который я называю или . Я не вижу серьезных этических проблем в связи с этим. Согласно волевой нормативной модели болезни, которая лучше всего подходит для наномедицины, если вы физиологически стары, но вас это не устраивает, то старость и старение для вас - это болезнь, и вы заслуживаете того, чтобы быть излеченным. В конце концов, какой смысл жить много сотен лет в теле, которое уже утратило те молодой облик и энергию, которых вы хотите? Дехронификация сначала приостановит биологическое старение, затем сократит Ваш биологический возраст с помощью трех видов процедур на каждую клетку из 4 триллионов тканевых клеток в вашем теле.

*Первое: устройства, подобные респироцитам и микробиворам, будут посланы в каждую тканевую клетку, чтобы устранить накапливающиеся метаболические токсины и вещества, не поддающиеся переработке. Впоследствии эти токсины продолжают медленно накапливаться снова, в их распоряжении вся ваша жизнь, так что вам, вероятно, будет необходима чистка всего тела, может быть, раз в год, чтобы предотвратить дальнейшее старение.

*Второе: хромосомозамещающая терапия может быть использована, чтобы исправить накопленные генетические повреждения и мутации в каждой из Ваших клеток. Это также можно было бы повторять ежегодно.

*Третье: накапливаемые структурные клеточные повреждения, которые клетка не может исправить самостоятельно, такие как увеличенная или поврежденная митохондрия, могут быть исправлены в каждой отдельной клетке с помощью клеточно-репарационных устройств.

Мы все еще далеки от создания полных теоретических планов многих из этих машин, но все они теоретически возможны, так что в конце концов у нас будут хорошие планы и чертежи.

Ожидаемый возраст на момент смерти после дехронификации, лет
	Выбранный биологический возраст (лет)

С помощью этих ежегодных осмотров и чисток и некоторых капитальных ремонтов, ваш биологический возраст можно было бы каждый год восстанавливать до желаемого физиологического возраста, который вы сами выберете. Я не вижу ни малейших причин, чтобы не приблизиться к оптимальной юности, хотя попытка сохранять ваше тело в идеальном физиологическом 10-летнем возрасте может быть сопряжена с определёнными трудностями и быть нежелательной по другим причинам.

Возврат к физиологическому состоянию подросткового периода будет проще обеспечить и будет более весёлым. Это увеличит ваш ожидаемый возраст смерти приблизительно до 900 лет. Вы все еще могли бы в конце концов умереть от случайных причин, но вы всё равно проживёте в десятки раз дольше, чем сейчас.

Пределы биологического продления жизни с помощью наномедицины

Как далеко мы можем зайти? Ну, если мы сможем устранить 99% возможных препятствующих обстоятельств, ведущих к естественной смерти, продолжительность вашей здоровой жизни увеличится примерно до 1100 лет. Возможно, заставить первоначальное биологическое тело проработать больше, чем одно или два тысячелетия, будет непросто, поскольку число смертей от самоубийств и несчастных случаев упорно оставалось высоким в течение последних 100 лет, снизившись лишь на треть за всё это время.

Однако можно надеяться, что уровень самоубийств может быть значительно сокращен, учитывая столь радужные открывающиеся перспективы и новые наномедицинские методы лечения психических и умственных расстройств. Нанотехнология может также улучшить общий уровень безопасности нашего окружения, что приведет к гораздо меньшему количеству смертей от несчастных случаев.

В конце концов, генетические модификации или наномедицинские улучшения человеческого тела могут увеличить продолжительность здоровой жизни ещё больше, до степени, которая пока ещё не может быть точно предсказана.

В заключение я надеюсь, что вы согласитесь со мною, что естественная смерть - это злодеяние. Более того, это величайшее злодеяние, совершённое по отношению к человеческому роду за всю его историю. Но теперь мы, наконец, можем что-нибудь с этим сделать. Так что давайте приниматься за дело!

Спасибо.

Ссылки

• Книги Р. Фрайтаса по наномедицине
• Галерея рисунков по наномедицине
• Прочие статьи Р. Фрайтаса по наномедицине и близким темам
• Лекция Р. Фрайтаса по алмозоидному механосинтезу
• Первый патент в области механосинтеза (Р. Фрайтас)
• Книга Р. Фрайтаса по технологиям самовоспроизводства