Прекрасное биотехнологическое будущее

Протез Arm System Gen-3. Фото: DARPA

Биологи Пентагона из DARPA обещают победить смерть, породить синтетических репликантов и обеспечить американскую армию рядами инвалидов-киборгов

Станислав Наранович

13 апреля, 2014 11:15

17 мин

В начале апреля Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA, передовое исследовательское крыло Пентагона) объявило об открытии нового биотехнологического подразделения — Управления по развитию биотехнологий (Biological Technologies Office). Его задача — поставить биологию на службу национальной безопасности, начиная от победы над эпидемиями и заканчивая созданием синтетических солдат. Тогда же был обнародован бюджет ведомства на следующий фискальный год — $2,9 миллиарда.

Статус DARPA как главной кузницы инноваций бесспорен. Суть агентства — постоянно гарантировать, что американские военные технологии всегда будут более продвинутыми, чем у конкурентов. Вот лишь некоторые из недавних инициатив агентства: создание гуманоидных роботов ATLAS и многих других видов робототехники; умные протезы, которые будут передавать настоящие тактильные ощущения; программирование искусственных нейронных сетей — фактически, компьютеров, основанных на когнитивных функциях человеческого мозга. На фоне этих технологических чудес, взятых будто точь в точь со страниц ставших классикой киберпанковских романов восьмидесятых, уже не удивляет проектирование всего лишь какого-то самообучающегося суперкомпьютера. Если в будущем и создадут полноценный искусственный интеллект, это сделают не IT-корпорации, а именно темные гении Пентагона (которые, кстати, являются и прародителями интернета).

DARPA и прежде уделяла должное внимание биотехнологиям, но до настоящего момента у них не было специального отдела, который координировал бы все исследования в этой междисциплинарной области. Именно это призвано исправить управление по развитию биотехнологий, созданное с целью «исследовать все более динамичные пересечения биологии и физики».

Директор DARPA Арати Прабхакар, выступая в конце марта перед конгрессменами в Палате представителей, сказала, что «биология — это ультимативный инноватор природы, и для любого агентства, которое делает ставку на инновации, было бы глупо не обращаться к этому мастеру сложных взаимосвязей за вдохновением и разгадками».

«Сегодня биология занимает свое место среди основных наук, представляющих будущее оборонных технологий… Программы биотехнологического офиса лежат в широчайшем диапазоне: от отдельных клеток до организмов и их популяций; от времени, с которым передается нервный сигнал, до времени, с которым новый вирус чих за чихом распространится по всей планете. Биотехнологический офис будет изучать чрезвычайно сложные механизмы естественных процессов и продемонстрирует, что их можно применить в целях национальной обороны», — говорится в пресс-релизе DARPA.

«Русская планета» ознакомились с наиболее перспективными программами нового подразделения ведомства.

Ах, не говорите: «Кровь из раны». Это — дико!

Одно из приоритетных направлений работы биотехнологического офиса — высокотехнологичная реабилитация солдат вооруженных сил США после ранений самых разных типов. По данным Института хирургических исследований армии США, основная причина смерти бойцов на поле боя — потеря крови. Сразу несколько исследований DARPA призваны решить эту проблему. У военных до сих пор нет ничего совершеннее самого просто марлевого бинта, чтобы остановить кровотечение. Эффективность его чрезвычайно мала, поскольку если кровь не останавливается, бинт приходится почти сразу же менять. Остановить скрытое кровотечение на месте нет вообще никакой возможности. Поэтому многие солдаты погибают не только на поле боя, но и в транспорте по дороге в медчасть.

Арати Прабхакар. Фото: nvtc.org

Недавно компания-стартап RevMedx анонсировала модифицированный шприц, который заполняет область раны сантиметровыми губками из хитозана, разбухающими и блокирующими кровотечение. Но так прекращается лишь наружное кровотечение. Специалисты DARPA пошли дальше и объявили о создании так называемой «стазис-системы» — пока что известно только, что это «пенный материал», который останавливает кровоизлияние даже в брюшную полость. Управление по санитарному надзору США вскоре должно утвердить первый прототип портативного устройства для впрыска вещества.

Даже если потери крови избежать не удастся, другая разработка ведомства сделает ее не столь опасной для жизни, избавив военных от угрозы вызванной кровотечением гипоксии. Ученые работают над медикаментом на основе сульфида водорода, инъекция которого замедляет проходящие в теле физиологические процессы. В ходе испытаний на животных было установлено, что сероводород снижает потребность органов в кислороде, острую нехватку которого вызывает кровопотеря. Инъекция такого вещества значительно продлит время, которое боец сможет провести после смертельной потери крови прямо на поле боя, дожидаясь переливания. Таким образом, надеются в DARPA, солдат сможет самостоятельно сделать себе укол, войти в «похожее на гибернацию состояние» и обескровленным ждать медицинскую помощь — вплоть до нескольких дней.

Киборги-инвалиды

Сотрудники агентства прекрасно осознают предоставленные им властями США практически безграничные возможности и не страдают от ложной скромности. Например, программа по разработке передовых протезов называется без утаек — «Революционизирование протезирования». Она была запущена еще в 2006 году, но сейчас полностью переходит под контроль биотехнологического офиса.

Все это время исследователи были заняты проектированием протезов рук, которые гораздо труднее с медицинской и инженерной точек зрения, чем искусственные ноги. Один из революционных протезов — Arm System Gen-3 — уже легализован Управлением по санитарному надзору. Как говорится на сайте ведомства, эти «передовые мехатронные конечности» первыми приблизились к функциональности настоящих человеческих рук. Цели программы еще более вызывающие, чем название. И DARPA их вовсе не утаивает: в будущем в США не будет ветеранов-инвалидов, а будут инвалиды в строю — просто роботизированные.

«В рамках "Революционизирования протезирования" совершенствуется функциональность протезов верхних конечностей, чтобы в один прекрасный день военнослужащие, потерявшие руки, могли вернуться к службе», — говорится в описании программы.

Среди конкретных задач — создание контролируемых разумом протезов и нейрокомпьютерных интерфейсов для ампутантов и паралитиков. В эфире NPR's Marketplace 31 марта Арати Прабхакар сказала, что биотехнологи уже сделали огромный шаг в этой области. Достижения последних лет в технологии кортикальных микроэлектродов сделали связь нервной системы и кибернетических частей тела настолько крепкой, что управляемые мыслью протезы постепенно входят в ежедневный обиход, а пошедшие на сотрудничество пациенты уже пользуются пентагоновской «системой надежного нейроинтерфейса». Грядущие исследования «улучшат потенциал периферийных интерфейсов, чтобы обрабатывать еще больше информации об управлении конечностями, что наделит ампутантов еще большим функционалом». Нейрофизиологи работают над тем, чтобы сигнал шел в обоих направлениях — чтобы протез не только контролировался разумом, но и он сам отсылал тактильные сигналы обратно нервной системе, вызывая ощущение подлинного физического прикосновения.

Инвалид с протезными роборуками. Фото: DARPA

«У нас есть добровольцы с параличом всех четырех конечностей, которые согласились на операцию головного мозга. Речь идет о размещении на коре чипа, который контролирует нейроны моторной зоны и перенаправляет их для управления новыми, крайне замысловатыми протезными роборуками. В некотором смысле мы открыли дверь — связь между человеческим мозгом и остальным миром. Дайте волю своему воображению, чтобы понять, как далеко это нам позволит пойти», — рассказала директор DARPA.

Отдельная программа посвящена восстановлению памяти. По данным медиков, с 2000 года более 270 тысяч американских солдат получили черепно-мозговые травмы разной сложности, которые привели к ухудшению или полной дисфункции рабочей памяти. Несмотря на масштаб проблемы, никаких эффективных методов лечения сейчас не существует. Чтобы вернуть им память, биотехнологический офис работает над мультидисциплинарной нейротехнологией, сочетающей «обработку данных (data processing), математическое моделирование и новейшие интерфейсы». Результатом должно стать «имплантируемое нейронное устройство», которое вернет солдатам память посредством нейростимуляции определенных участков мозга.

Еще одна инициатива направлена на избавление от посттравматического стрессового расстройства (ПТСР, «вьетнамский синдром»), крайне распространенного среди солдат, прошедших боевые действия. В лучших случаях оно приводит к депрессии и мигреням, в худших — к вспышкам агрессии среди вернувшихся на родину военных, или суициду. Современные подходы — лекарства и психотерапия — могут разве что смягчить наихудшие симптомы этого тяжелого психического синдрома. Военные врачи надеются полностью победить ПТСР тоже с помощью имплантирования в мозг нейростимулятора.

В рамках своих нейроисследований DARPA консультируется (по крайней мере, предлагает верить в это) с экспертной комиссией по этическим, правовым и социальным последствиям. Прабхакар не исключает, что некоторые из этих исследований будут направлены не только на реабилитацию, но и на модификацию мозга здоровых бойцов.

«Если мы разберемся, как мозг взаимодействует со сложными системами, быть может, мы поймем, как именно следует предоставлять человеку информацию, чтобы он лучше ее усваивал. Это будет будущее, в котором мы начнем обучаться радикально новым путям взаимодействия между сложностью человеческого мозга и сложностью мира вокруг нас», — говорит глава инновационного агентства.

Интерфейсы «человек-машина» вполне могут быть приспособлены под управление роботами. И если уже сегодня инженеры разрабатывают управляемый разумом гражданский квадрокоптер, то почему бы нам не ожидать от DARPA рано или поздно управляемые через нейтроинтерфейсы военные дроны?

Управляемый разумом квадрокоптер. Фото: nsf.gov

И создали репликанта из праха синтетического

Агентство делает ставку на то, что следующее поколение оборонных технологий возьмет пример с естественной, биологической жизни. Одним из важнейших направлений работы биотехнологического офиса станет синтетическая биология — агентство рассчитывает запустить своего рода безумный генетический завод по производству ранее никогда не существовавших биологических материй с неизведанными свойствами на основе коктейля из живых клеток, белков и ДНК. Цель в том, чтобы создать, во-первых, искусственные, но живые суперматериалы, которые будут использоваться для следующего поколения механических и электрических гаджетов, а во-вторых — буквально сотворить новые формы жизни с функционалом, который на данный момент сложно представить. Но звучит это не так уж фантастически, учитывая, что в конце марта ученые объявили о создании первой в истории человечества синтетической «дизайнерской» хромосомы.

Солидную часть кадрового состава открывшегося подразделения составили биоинженеры. Поскольку «биологическая инженерия является мощнейшей технологией, способной повлиять на множество областей» человеческой жизни, биологи Пентагона намерены тщательно подготовить теоретический базис — постепенно «трансформировать биологию в инженерную практику, подготавливая инструменты, технологии, методологии и инфраструктуру». В рамках биоинженерных программ в лабораториях применяются самые последние разработки в области синтетической биологии, геномики и протеомики, которые способствуют высокой безопасности исследований и предотвращению «нежелательного высвобождения микроорганизмов». Судя по всему, в DAPRA наслышаны об опасности зомби-апокалипсиса.

Несмотря на все предосторожности, биоинженеры огласили уже более чем амбициозные проекты. Одна из самых загадочных программ проходит под рабочим названием Biochronicity. По словам биоинженеров, хотя «биологические часы регулируют почти все функции в организме человека», до сих пор нет четкого представления, как именно они влияют на клеточный цикл, обмен веществ, старение и гибель клеток. По всей видимости, ведомство посягнет на метаболизм и старение человека, поставив их под контроль и многократно увеличив боеспособность и выносливость солдат — как с точки зрения регенерации после физических травм, так и иммунитета к болезням.

Несколько лет назад уже нашумела программа DARPA «Биодизайн», в рамках которой Пентагон создает ни много ни мало бессмертных синтетических существ. В качестве цели заявлено преодоление «случайности эволюции»: «в рамках "Биодизайна" применяется система инженерных методов в сочетании с биотехнологиями и синтетической химической технологией, чтобы создать новые полезные атрибуты. "Биодизайн" уменьшит непредсказуемость естественного эволюционного развития с помощью генной инженерии и молекулярной биологии. Эта область включает искусственно заданные молекулярные реакции, увеличивающие резистентность к сигналам клеточной смерти (…)». В том случае, если план агентства пойдет наперекосяк по самому угрожающему сценарию, как это обычно и бывает в хоррорах, у сотворенных существ предусмотрена специальная молекула-триггер для самоуничтожения, которую можно активировать удаленно. Как пишет автор техноблога Motherboard, «зачем нужны механические роботы, когда вы можете создать для участия в войнах репликанта? Мы немногое слышали о потенциальных синтетических солдатах Пентагона, однако на программу "Биодизайн" в следующем году все же выделено $19,3 миллиона».

Мир без болезней

Эпидемиологическое крыло агентства будет искать способы предотвращения эпидемий и смягчения последствий гипотетической смертельной глобальной пандемии (еще один популярнейший сюжет фантастических фильмов-катастроф). Ученые полагают, что непредсказуемость вспышек заболеваний — явный признак нашего скудного понимания динамики появления и распространения эпидемий.

По данным Национального института аллергии и инфекционных заболеваний США, из всех зарегистрированных за последние 20 лет патогенов 44% являются РНК-вирусами. Они характеризуются крайне высокой частотой мутаций, что позволяет им адаптироваться к изменяющейся среде, как это произошло в случае пандемии вируса H1N1 («свиной грипп») в 2009 году. Кроме того, даже самые сильные антибиотики могут стать бесполезными, поскольку инфекции постепенно получают резистентность к лекарствам, как в случае с непобедимым штаммом гонореи.

В рамках программы со звучным названием «Пророчество» изучается эволюция вирусов для прогнозирования грядущих вирусных мутаций. Конечная цель — создание «упредительных» лекарственных препаратов и вакцины от болезней, которые могут угрожать человечеству в будущем. Прогнозировать вирусную эволюцию биологи собираются, само собой, не на математических моделях, а вполне экспериментальным путем. Фактически в агентстве займутся разведением вирусов. Опасные патогены будут выращивать в лаборатории и диагностировать все стадии мутаций, через которые они проходят. На основе этой информации станут возможны предсказания, в каком направлении будет эволюционировать то или иное распространенное заболевание. Вирусологи скромно замечают, что в лабораторных условиях они будут пытаться повторить только те «вирусные мутации, которые уже происходили естественным образом и задокументированы», — вероятно, чтобы убедить, что они случайно не создадут вирус, которого еще даже не существует на планете в естественной среде.

Отвечая на вопрос, какой у биотехнологического офиса «Святой Грааль», директор DARPA подытожила: «Это новый класс материалов со свойствами, которых мы никогда бы не получили раньше. Это новый путь взаимодействия с человеческим мозгом и разрешение тайн когнитивных функций. И мы уверены, что уже существуют техники, которые позволят опережать распространение инфекционных заболеваний».

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе