Приключения радиолуча

Особенно часто сейчас в газетах пишут о биоэлектронике. Вероятно, из-за экзотики. Еще бы, биологические системы — своего рода рекордсмены. Диву даешься и отказываешься верить, когда читаешь, что слуховой орган кузнечика чувствует колебания, амплитуда которых составляет половину диаметра атома водорода! Чувствительность слуха кузнечика столь высока, что, находясь, скажем в Подмосковье, он может воспринимать самые малые землетрясения, происходящие на Камчатке. Неудивительно, что творения живой природы, своего рода биологические «патенты», — постоянный источник новых идей для инженеров, конструкторов, ученых.

Отчасти особое внимание к биоэлектронике связано с такими заманчивыми идеями, как, например, имплантация в мозг биоэлектронного устройства для восстановления зрения у слепых или создания самостоятельно собирающихся биологических вычислительных машин. Представьте себе ЭВМ, синтезированную с помощью бактерий! Вполне возможно, что лет через 15— 20 такая ЭВМ перейдет из мира фантастики в мир реальный. Уже многие научные коллективы в различных странах работают в этом направлении.

Одним из кирпичиков биологических ЭВМ может стать молекула белка с «памятью», то есть обладающая способностью находиться в одном из двух состояний, как и транзистор.

С переходом от кремниевых микросхем к «молекулярной электронике» на органических материалах, по-видимому, можно будет добиться плотности записи информации до одного миллиарда миллиардов (10 ¹⁸) бит в одном кубическом сантиметре материала! Для сравнения отметим, что в человеческом мозге (его объем составляет 750 кубических сантиметров) можно записать информацию, эквивалентную одной тысяче миллиардов (10 ¹²) бит (текст примерно нескольких сотен книг), а в одном кубическом сантиметре генетического материала «спрессовано» две тысячи миллиард миллиардов (2•10 ²¹) бит информации.

Некоторые результаты уже получены. Например, в области активных биологических пленок. Их можно использовать в качестве оптических запоминающих устройств ЭВМ.

В институте биофизики АН СССР было обнаружено, что обезвоженный белок бактериородопсин может «останавливаться» на определенной стадии своего фотохимического цикла, или, попросту говоря, фиксировать записанное на нем изображение.

Бактериородопсин относится к так называемым фитопигментам, которые вступают во взаимодействие со светом. Особое место среди них занимает родопсин — светочувствительное вещество, входящее в состав клеток сетчатки глаза человека и животных. Поглощая квант света, родопсин меняет свою окраску. Он содержится, например, в солелюбивых пурпурных бактериях. Их также называют «зрячими» за способность преобразовывать энергию света в электрохимическую энергию.

Удивительное превращение происходит с помощью родопсина, и в этом варианте он называется бактериородопсином. Светочувствительные молекулы именуют также хромофорами.

Первая пленка на основе бактериородопсина создана в 1978 году. С помощью лазера на нее записывают и с нее считывают информацию. Теоретически можно получить большую плотность записи: 10 ¹⁴бит на один кубический сантиметр, ведь цвет меняет единичная молекула, а значит, каждая молекула может хранить информацию.

Создать молекулярный электронный переключатель — проблема сложная и пока еще не воплощенная в практическое устройство. Нужно, чтобы молекула могла изменять свое строение (например, конфигурацию электронных оболочек) и возвращаться в исходное состояние вполне определенным и контролируемым образом.

Возбуждать биомолекулу, или, иначе, переводить ее в одно из устойчивых состояний надо осторожно. В момент перестройки электронных оболочек она поглощает энергию, что приводит к ее тепловому разрушению. И ученые вспомнили об одном интересном явлении — о солитонах. Им-то и решили поручить эту работу.

Солитоны — устойчивые уединенные волны — порой возникают в самых разных средах: в кристаллах, магнитных материалах, в сверхпроводниках, в живых организмах, в атмосфере Земли и других планет, в галактиках…

Уединенная волна ведет себя как частица, хотя ею и не является, а представляет собой особое возбужденное состояние среды. Два солитона могут столкнуться и разлететься подобно бильярдным шарам, поэтому в некоторых случаях солитон рассматривают как частицу, движение которой подчиняется закону Ньютона. Иногда солитоны называют также «частицеподобными волнами».

Мы уже говорили о монополе — частице, несущей магнитный заряд. Его носителем мог бы быть и солитон. Во всяком случае, теория не отвергает такой возможности. Интересный результат получил советский физик В. А. Рубаков: вблизи монополя вечный пока протон распадался бы мгновенно. Наше счастье, что монополи не обнаружены. Значит, их или очень мало, или вовсе нет.

Исследователи заметили, что в определенных условиях тонкие пленки органических веществ из белков и ферментов могут быть той средой, в которой распространяются солитоны за счет энергии, в ней запасенной. Замечательно, что при движении солитонов не происходит потери энергии. Это очень ценное свойство с точки зрения создателей нового поколения микросхем.

Была предложена такая модель молекулярного переключателя на органической основе. Белковая цепочка присоединена к светочувствительной молекуле — хромофору. Молекула хромофора переходит из активного состояния в пассивное и обратно при движении солитонов вдоль цепочки белка. Если она находится в возбужденном состоянии, то под влиянием падающего света в ней возникает электрическое напряжение. Если в спокойном, то при воздействии света напряжения не возникает. Используя такой переключатель как элементарную ячейку, можно составить более сложные переключающие схемы вплоть до устройств сложения и деления, применяемых в ЭВМ.

Ученых привлекают две заманчивые идеи конструирования органических материалов для будущих биосхем. Первая состоит в том, чтобы создать тонкую органическую пленку с помощью последовательного нанесения мономолекулярных слоев с поверхности жидкости на подложку. После высыхания слои можно скрепить электронным пучком. Вторая идея — более отдаленного будущего: использовать успехи генной инженерии, с тем чтобы «подправить» нужным образом белковые структуры, особенно те, которые обладают необычными свойствами.

Ряд ученых прочат в качестве «памяти» будущих биологических ЭВМ молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), в которых природа зашифровала код нашей жизни. Один из руководителей американской компании «Белл телефон» выразился так: «Первоначально наше внимание было обращено на то, каким образом природа создала исключительно эффективную сигнальную систему. Если рассмотреть все имеющиеся виды хранения и передачи информации, нетрудно увидеть, что один из наиболее удачных способов, существующих в природе, осуществляется при помощи молекул ДНК. Мы еще не вполне готовы подключить телефонные провода к ним. Пока мы просто хотим посмотреть, чему у таких молекул можно научиться».