Биологи с тех пор узнавали всё больше дета
лей о том, как само-

Гремящие репликаторы

Биологические репликаторы, такие как вирусы, бактерии, растения и люди, и
спользуют молекулярные машины. Искусственные репликаторы могут исполь
зовать вместо этого балк-технологию. Так как сегодня у нас есть балк-техн
ологии, инженеры могут её использовать, чтобы строить репликаторы до тог
о как появится молекулярная технология.
Древний миф о волшебной силе жизни (вместе с неправильным представление
м, которое увеличение энтропии означает, что все во вселенной должно обя
зательно умереть) породил мим-высказывание, что репликаторы должны нару
шить некоторый естественный закон. Это просто не так. Биохимики понимают
, как клетки воспроизводятся и они не находят в них никакого волшебства. В
место этого они находят машины, обеспечиваемые материалами, энергией и и
нструкциями, которые необходимы для выполнения работы. Клетки уже воспр
оизводятся; роботы могли бы воспроизводиться.
Успехи в автоматизации естественным образом приведут к механическим р
епликаторам, сделает ли кто-либо их особой целью или нет. В то время как да
вление конкуренции заставляет увеличиваться автоматизацию, потребнос
ть в человеческой рабочей силе на фабриках будет снижаться. На Fujitsu Fanuc уже ра
ботает машинная секция на производственном предприятии двадцать четыр
е часа в сутки только с девятнадцатью рабочими на этаже во время дневной
смены и совсем без кого-либо во время ночной смены. Эта фабрика производи
т 250 машин в месяц, 100 из которых Ц роботы.
В конечном счете, роботы могли бы делать всю работу по сборке роботов, соб
ирать другое оборудование, делать необходимые части, управлять шахтами
и генераторами, которые снабжают различные фабрики материалами и энерг
ией и т. д. Хотя такая сеть фабрик, развёрнутая по местности не напоминала
бы беременного робота, она бы образовала саморасширяющуюся, самовоспро
изводящуюся систему. Ассемблерная революция определённо произойдёт до
того, как вся промышленность будет автоматизирована, однако сегодняшни
е шаги в этом направлении Ц шаги в направлении чего-то вроде гигантског
о гремящего репликатора.
Но как такую систему можно поддерживать и чинить без человеческого труд
а?
Представьте себе автоматическую фабрику, способную и проверить части и
собирать оборудование. Плохие части не проходят испытаний и выбрасываю
тся или перерабатываются. Если фабрика может также разбирать машины, про
изводить ремонты нетрудно: нужно просто разобрать неработающие машины,
проверите все их части, заменить все изношенные или сломавшиеся части и
снова их собрать. Более эффективная система диагностировала бы проблем
ы без тестирования каждой части, но это не обязательно необходимо.
Распространяющаяся система фабрик, укомплектованных роботами, была бы
осуществима, но громоздка. При умном конструировании и минимуме различн
ых частей и материалов, инженеры могли бы уместить копирующуюся систему
в один корпус, но такая Ц но такая коробка могла бы быть ещё огромна, пото
му что в ней должно содержаться оборудование, способное делать и собрать
много различных частей. Сколько различных частей? Столько, сколько она с
ама содержит. Сколько различных частей и материалов было бы необходимо,
чтобы построить машину, способную делать и собрать так много различного
материалов и частей? Это трудно оценить, но системы, основанные на сегодн
яшней технологии использовали бы электронные чипы. Только их производс
тво потребовало бы слишком много оборудования, которое нужно поместить
внутрь маленького репликатора.
Кролики воспроизводятся, но они требуют уже готовых частей типа молекул
витаминов. Получение этого из еды позволяет им выживать с меньшим количе
ством молекулярных машин, чем если бы им пришлось всё делать с нуля. Точно
так же механический репликатор, используя изготовленные отдельно чипы,
мог бы быть несколько проще, чем такой же, делающий сам всё, что необходимо
. Эти специфические «диетические» требования также связали бы машины в б
олее широкую «экологическую» систему, помогающую держать её на прочном
поводке. Инженеры в спонсируемых НАСА исследованиях предложили исполь
зовать такие полурепликаторы в космосе, давая возможность космической
промышленности расширяться только с небольшой поставкой сложных часте
й с Земли.
Однако, так как репликаторы, построенные по балк-технологии, должны прои
зводить и собирать свои части, они должны содержать машины и которые про
изводят части и которые их собирают. Это подчеркивает преимущество моле
кулярных репликаторов: их части Ц атомы, а атомы приходят уже готовыми.


Молекулярные репликаторы

Клетки воспроизводятся. Их машины копируют свои ДНК, которые направляют
их рибосомные механизмы на строительство других машин из более простых
молекул. Эти машины и молекулы содержатся в заполненном жидкостью мешке
. Мембрана впускает молекулы, снабжающие клетку энергией и части для дал
ьнейшего производства наномашин, ДНК, мембран и т. д.; она выпускает отраб
отанные молекулы, несущие энергию и остатки компонентов. Клетка воспрои
зводится путём копирования частей внутри своего мембранного мешка, сор
тируя их на две группы, и расщепляя мешок на два. Искусственные репликато
ры могли бы строиться так, чтобы работать аналогичным образом, но исполь
зуя ассемблеры вместо рибосом. Таким образом мы могли бы строить клетко-
подобные репликаторы, которые не ограничиваются молекулярными машинам
и, сделанными из мягких влажных складок молекул белка.
Но инженеры более вероятно, что разработают другие подходы к воспроизво
дству. У эволюции не было никакого простого способа изменить фундамента
льный принцип действия клетки, а этот принцип действия имеет недостатки
. В синапсах, например, клетки мозгового передают сигналы своим соседям, в
ысвобождая пузырьки химических молекул. Эти молекулы толкутся вокруг, п
ока не свяжутся с молекулами-датчиками соседней клетки, иногда вызывая
нейронный импульс. Химические синапсы Ц медленные переключатели, а ней
ронные импульсы двигаются медленнее, чем звук. С ассемблерами молекуляр
ные инженеры будут строить целые компьютеры меньшего размера чем синап
сы и в миллионы раз быстрее.
Мутация и отбор могла переделать синапсы в механический нанокомпьютер
не более чем селекционер мог бы переделать лошадь в автомобиль. Тем не ме
нее инженеры построили автомобили, и также будут учиться строить компью
теры быстрее чем мозг человека и репликаторы, обладающие большими возмо
жностями, чем существующие клетки.
Некоторые из этих репликаторов вообще не будут похожи на клетки, но зато
будут похожи на фабрики, уменьшенные до размера клетки. Они будут содерж
ать наномашины, установленный на молекулярном каркасе и конвейерные ре
мни, чтобы перемещать части от машины к машине. Снаружи у них будет набор с
борочных манипуляторов для постройки своих копий по атому или секции за
раз.
Как быстро эти репликаторы смогут размножаться, будет зависеть от скоро
сти их сборки и их размера. Представьте себе достаточно сложный ассембле
р, содержащий миллион атомов: он вполне может иметь десять тысяч перемещ
ающихся частей, каждая содержащая в среднем сотню атомов Ц т. е. достаточ
но деталей, чтобы сделать довольно сложную машину. В действительности са
м ассемблер выглядит как коробка, служащая основой для манипуляторов, ка
ждый длинной по сотне атомов. Коробка и манипулятор содержит устройства
, которые перемещают руку из одного положения в другое, чтобы поместить, и
другие, которые заменяют молекулярные инструменты на его конце.
Позади коробки находится устройство, которое читает ленту и обеспечива
ет механические сигналы, которые переключают движения манипулятора и с
мену инструментов. Перед рукой находится незаконченная структура. Конв
ейеры подносят молекулы к ассемблерной системе. Некоторые поставляют э
нергию для двигателей, которые передвигают считывающее устройство для
ленты и манипуляторы, другие обеспечивают группы атомов, занимающиеся с
боркой. Атом за атомом (группа за группой), манипулятор передвигает части
каждую на своё место, как указывается лентой; химические реакции соединя
ют их в связанную структуру.
Эти ассемблеры будут работать быстро. Быстрый фермент, такой как углерод
ная ангидраза или кетостероидная изомераза, может обрабатывать почти м
иллион молекул в секунду, даже без конвейеров и механизмов, приводимых в
движение энергией, чтобы быстро поставить новую молекулу на место как то
лько освобождается предыдущая. Может показаться слишком сильным ожида
ть от ассемблера, что он будет захватывать молекулу, перемещать её и втис
кивать на место лишь за миллионную секунды. Но маленькие объекты могут д
вигаться туда-сюда очень быстро. Человек может поднять и опустить руку н
есколько раз в секунду, пальцы могут постукивать по чему-нибудь быстрее,
муха способна махать своими крылышками достаточно быстро, чтобы жужжат
ь, а комар создаёт невыносимый писк. Насекомые могут махать своими крыль
ями примерно в тысячу раз быстрее, чем люди своими руками, потому что крыл
ья насекомого примерно в тысячу раз короче.
Манипулятор ассемблера будет приблизительно пятьдесят миллионов раз к
ороче, чем человеческая рука, и поэтому (как это получается) будет способе
н двигаться туда-сюда приблизительно в пятьдесят миллионов раз быстрее
. Для манипулятора ассемблера, двигаться всего лишь миллион раз в секунд
у было бы подобно человеческой руке двигаться около одного раз в минуту:
очень медленно. Так что это выглядит очень разумной целью.
Скорость копирования будет зависеть также от общего размера системы, ко
торая должна быть построена. Ассемблеры не будут копироваться сами по се
бе; им будут нужны материалы и энергия, а также инструкции о том, как их исп
ользовать. Поставлять материалы и энергию могут обычные химические вещ
ества, но должны быть в наличии наномашины, чтобы их обрабатывать. Бугрис
тые полимерные молекулы могут кодировать информацию подобно перфолент
е, но должно иметься устройство чтения, чтобы переводить комбинацию буго
рков в характер движения манипулятора. Вместе эти части образуют самое г
лавное в репликаторе: лента поставляет инструкции для сборки копии ассе
мблера, устройства чтения и других наномашин, а также самой ленты.
Разумная конструкция этого вида репликаторов вероятно будет включать
несколько ассемблерных манипуляторов и еще несколько манипуляторов дл
я удержания и перемещения объектов работы. Каждый из этих манипуляторов
Ц это по одному миллиону атомов или около того. Другие части Ц устройст
ва чтения ленты, химические процессоры и т. д. Ц могут быть такие же сложн
ые как ассемблеры. В конце концов гибкая система копирования вероятно бу
дет включать простой компьютер; следуя механическому подходу, упомянут
ому в Главе 1, это добавит порядка 100 миллионов атомов. Все части вместе взят
ые будут составлять менее чем 150 миллионов атомов. Предположим даже что эт
о будет один миллиард, чтобы оставить широкий допуск для ошибки. Не будем
принимать во внимание дополнительные способности дополнительных мани
пуляторов ассемблера, оставляя ещё больший допуск. Работая со скоростью
миллион атомов в секунду, система всё равно скопирует себя за тысячу сек
унд или немногим более чем за пятнадцать минут Ц это примерно то время, з
а которое бактерия воспроизводит себя при хороших условиях.
Представьте себе такой репликатор, плавающий в бутылке с химическими ве
ществами, и производящий копии себя. Он строит одну копию за одну тысячу с
екунд, тридцать шесть за десять часов. Через неделю, он сделает достаточн
о копий, чтобы заполнить объем человеческой клетки. За столетие, он сдела
ет достаточно, чтобы покрыть небольшое пятнышко. Если бы это было всё, что
могли делать репликаторы, мы бы возможно спокойно могли бы на них не обра
щать внимания.
Однако каждая копия будет строить ещё большее количество копий. Значит п
ервый репликатор соберёт копию за одну тысячу секунд, дальше два реплика
тора построят еще два за следующую тысячу секунд, четыре построят ещё че
тыре, а восемь построят ещё восемь. В конце десяти часов будет иметься не п
росто тридцать два новых репликатора, а более 68 миллиардов. Менее чем за д
ень одни бы весили тонну; менее чем за два дня одни бы стали весить больше,
чем Земля; ещё через четыре дня одни бы превысили по массе Солнце и все пла
неты вместе взятые Ц если бутылка с химическими веществами не опустеет
до этого момента.
Постоянное удвоение означает экспоненциальный рост. Репликаторы умнож
аются по экспоненте если нет ограничений, таких как недостаток места или
ресурсов. Бактерии это делают, и примерно с той же самой скоростью как реп
ликаторы, описанные только что. Люди воспроизводятся намного более медл
енно, однако если им дать достаточно времени, они также могли бы превзойт
и любой конечный источник ресурсов. Беспокойство о росте населения нико
гда не потеряет своей важности. Забота о том, как контролировать новые бы
стрые репликаторы, скоро станет действительно важной.

Молекулы и небоскребы

Машины, способные схватить и куда-то поместить отдельные атомы будут сп
особны строить почти всё что угодно, связывая нужные атомы вместе нужным
образом, как я это описал в конце Главы 1. Безусловно, строительство больш
их объектов по одному атому будет медленным.
Чтобы быстро создавать большие объекты, должно сотрудничать большое чи
сло ассемблеров сотрудничать, но репликаторы будут производить ассемб
леры тоннами.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47