Глава 4. МАШИНЫ ИЗОБИЛИЯ

Гремящие репликаторы

Молекулярные репликаторы

Молекулы и Небоскребы

27 МАРТА 1981 ГОДА новости радио CBS процитировали учёного, работающего в NASA, который сказал, что инженеры будут способны строить самовоспроизводящихся роботов в пределах двадцати лет, для использования в космосе или на Земле. Эти машины строили бы копии себя, и копиям можно было бы делать предписания создавать полезные продукты. У него не было сомнений в их возможности, только в том, когда они будут построены. Он был прав.

С 1951, когда Джон фон Нейман выделил принципы само-копирующихся машин, ученые в целом подтверждали их возможность. В 1953 году Ватсон и Крик описали структуру ДНК, которая показала, как живые объекты передают инструкции, которые руководят их постройкой. Биологи с тех пор узнавали всё больше деталей о том, как само-

Биологические репликаторы, такие как вирусы, бактерии, растения и люди, используют молекулярные машины. Искусственные репликаторы могут использовать вместо этого балк-технологию. Так как сегодня у нас есть балк-технологии, инженеры могут её использовать, чтобы строить репликаторы до того как появится молекулярная технология.

Древний миф о волшебной силе жизни (вместе с неправильным представлением, которое увеличение энтропии означает, что все во вселенной должно обязательно умереть) породил мим-высказывание, что репликаторы должны нарушить некоторый естественный закон. Это просто не так. Биохимики понимают, как клетки воспроизводятся и они не находят в них никакого волшебства. Вместо этого они находят машины, обеспечиваемые материалами, энергией и инструкциями, которые необходимы для выполнения работы. Клетки уже воспроизводятся; роботы могли бы воспроизводиться.

Успехи в автоматизации естественным образом приведут к механическим репликаторам, сделает ли кто-либо их особой целью или нет. В то время как давление конкуренции заставляет увеличиваться автоматизацию, потребность в человеческой рабочей силе на фабриках будет снижаться. На Fujitsu Fanuc уже работает машинная секция на производственном предприятии двадцать четыре часа в сутки только с девятнадцатью рабочими на этаже во время дневной смены и совсем без кого-либо во время ночной смены. Эта фабрика производит 250 машин в месяц, 100 из которых – роботы.

В конечном счете, роботы могли бы делать всю работу по сборке роботов, собирать другое оборудование, делать необходимые части, управлять шахтами и генераторами, которые снабжают различные фабрики материалами и энергией и т. д. Хотя такая сеть фабрик, развёрнутая по местности не напоминала бы беременного робота, она бы образовала саморасширяющуюся, самовоспроизводящуюся систему. Ассемблерная революция определённо произойдёт до того, как вся промышленность будет автоматизирована, однако сегодняшние шаги в этом направлении – шаги в направлении чего-то вроде гигантского гремящего репликатора.

Но как такую систему можно поддерживать и чинить без человеческого труда?

Представьте себе автоматическую фабрику, способную и проверить части и собирать оборудование. Плохие части не проходят испытаний и выбрасываются или перерабатываются. Если фабрика может также разбирать машины, производить 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 проблемы без тестирования каждой части, но это не обязательно необходимо.

Распространяющаяся система фабрик, укомплектованных роботами, была бы осуществима, но громоздка. При умном конструировании и минимуме различных частей и материалов, инженеры могли бы уместить копирующуюся систему в один корпус, но такая – но такая коробка могла бы быть ещё огромна, потому что в ней должно содержаться оборудование, способное делать и собрать много различных частей. Сколько различных частей? Столько, сколько она сама 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 сегодняшней технологии использовали бы электронные чипы. Только их производство 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 количеством 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 более широкую «экологическую» систему, помогающую держать её на прочном поводке. Инженеры в спонсируемых НАСА исследованиях предложили использовать такие полурепликаторы в космосе, давая возможность космической промышленности расширяться только с небольшой поставкой сложных частей с Земли.

Однако, так как репликаторы, построенные по балк-технологии, должны производить и собирать свои части, они должны содержать машины и которые производят части и которые их собирают. Это подчеркивает преимущество молекулярных репликаторов: их части – атомы, а атомы приходят уже готовыми.

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 дальнейшего производства наномашин, ДНК, мембран и т. д.; она выпускает отработанные молекулы, несущие энергию и остатки компонентов. Клетка воспроизводится путём копирования частей внутри своего мембранного мешка, сортируя их на две группы, и расщепляя мешок на два. Искусственные репликаторы могли бы строиться так, чтобы работать аналогичным образом, но используя ассемблеры вместо рибосом. Таким образом мы могли бы строить клетко-подобные репликаторы, которые не ограничиваются молекулярными машинами, сделанными из мягких влажных складок молекул белка.

Но инженеры более вероятно, что разработают другие подходы к воспроизводству. У эволюции не было никакого простого способа изменить фундаментальный принцип действия клетки, а этот принцип действия имеет недостатки. В синапсах, например, клетки мозгового передают сигналы своим соседям, высвобождая пузырьки химических молекул. Эти молекулы толкутся вокруг, пока не свяжутся с молекулами-датчиками соседней клетки, иногда вызывая нейронный импульс. Химические синапсы – медленные переключатели, а нейронные импульсы двигаются медленнее, чем звук. С ассемблерами молекулярные инженеры будут строить целые компьютеры меньшего размера чем синапсы 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 менее инженеры построили автомобили, и также будут учиться строить компьютеры быстрее чем мозг человека и репликаторы, обладающие большими возможностями, 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 содержать наномашины, установленный на молекулярном каркасе и конвейерные ремни, чтобы перемещать части от машины к машине. Снаружи у них будет набор сборочных манипуляторов для постройки своих копий по атому или секции за раз.

Как быстро эти репликаторы смогут размножаться, будет зависеть от скорости их сборки и их размера. Представьте себе достаточно сложный ассемблер, содержащий миллион атомов: он вполне может иметь десять тысяч перемещающихся частей, каждая содержащая в среднем сотню атомов – т. е. достаточно деталей, чтобы сделать довольно сложную машину. В действительности сам ассемблер выглядит как коробка, служащая основой для манипуляторов, каждый 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 обеспечивает механические сигналы, которые переключают движения манипулятора и смену инструментов. Перед рукой находится незаконченная структура. Конвейеры подносят молекулы к ассемблерной системе. Некоторые поставляют энергию для двигателей, которые передвигают считывающее устройство для ленты и манипуляторы, другие обеспечивают группы атомов, занимающиеся сборкой. Атом за атомом (группа за группой), манипулятор передвигает части каждую на своё место, как указывается лентой; химические реакции соединяют их в связанную структуру.

Эти ассемблеры будут работать быстро. Быстрый фермент, такой как углеродная ангидраза или кетостероидная изомераза, может обрабатывать почти миллион молекул в секунду, даже без конвейеров и механизмов, приводимых в движение энергией, чтобы быстро поставить новую молекулу на место как только освобождается предыдущая. Может показаться слишком сильным ожидать от ассемблера, что он будет захватывать молекулу, перемещать её и втискивать на место лишь за миллионную секунды. Но маленькие объекты могут двигаться туда-сюда очень быстро. Человек может поднять и опустить руку несколько раз в секунду, пальцы могут постукивать по чему-нибудь быстрее, муха способна махать своими крылышками достаточно быстро, чтобы жужжать, а комар создаёт невыносимый писк. Насекомые могут махать своими крыльями примерно в тысячу раз быстрее, чем люди своими руками, потому что крылья насекомого примерно в тысячу раз короче.

Манипулятор ассемблера будет приблизительно пятьдесят миллионов раз короче, чем человеческая рука, и поэтому (как это получается) будет способен двигаться туда-сюда приблизительно в пятьдесят миллионов раз быстрее. Для манипулятора ассемблера, двигаться всего лишь миллион раз в секунду 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, которая должна быть построена. Ассемблеры не будут копироваться сами по себе; им будут нужны материалы и энергия, а также инструкции о том, как их использовать. Поставлять материалы и энергию могут обычные химические вещества, но должны быть в наличии наномашины, чтобы их обрабатывать. Бугристые полимерные молекулы могут кодировать информацию подобно перфоленте, но должно иметься устройство чтения, чтобы переводить комбинацию бугорков в характер движения манипулятора. Вместе эти части образуют самое главное в репликаторе: лента поставляет инструкции для сборки копии ассемблера, устройства чтения и других наномашин, а также самой ленты.

Разумная конструкция этого вида репликаторов вероятно будет включать несколько ассемблерных манипуляторов и еще несколько манипуляторов для удержания и перемещения объектов работы. Каждый из этих манипуляторов – это по одному миллиону атомов или около того. Другие части – устройства чтения ленты, химические процессоры и т. д. – могут быть такие же сложные как ассемблеры. В конце концов гибкая система копирования вероятно будет включать простой компьютер; следуя механическому подходу, упомянутому в Главе 1, это добавит порядка 100 миллионов атомов. Все части вместе взятые будут составлять менее чем 150 миллионов атомов. Предположим даже что это будет один миллиард, чтобы оставить широкий допуск для ошибки. Не будем принимать во внимание дополнительные способности дополнительных манипуляторов ассемблера, оставляя ещё больший допуск. Работая со скоростью миллион атомов в секунду, система всё равно скопирует себя за тысячу секунд или немногим более чем за пятнадцать минут – это примерно то время, за которое бактерия воспроизводит себя при хороших условиях.

Представьте себе такой репликатор, плавающий в бутылке с химическими веществами, и производящий копии себя. Он строит одну копию за одну тысячу секунд, тридцать шесть за десять часов. Через неделю, он сделает достаточно копий, чтобы заполнить объем человеческой клетки. За столетие, он сделает достаточно, чтобы покрыть небольшое пятнышко. Если бы это было всё, что могли делать репликаторы, мы бы возможно спокойно могли бы на них не обращать внимания.

Однако каждая копия будет строить ещё большее количество копий. Значит первый репликатор соберёт копию за одну тысячу секунд, дальше два репликатора построят еще два за следующую тысячу секунд, четыре построят ещё четыре, а восемь построят ещё восемь. В конце десяти часов будет иметься не просто тридцать два новых репликатора, а более 68 миллиардов. Менее чем за день 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 планеты вместе взятые – если бутылка с химическими веществами не опустеет до этого момента.

Постоянное удвоение означает экспоненциальный рост. Репликаторы умножаются по экспоненте если нет ограничений, таких как недостаток места или ресурсов. Бактерии это делают, и примерно с той же самой скоростью как репликаторы, описанные только что. Люди воспроизводятся намного более медленно, однако если им дать достаточно времени, они также могли бы превзойти любой конечный источник ресурсов. Беспокойство о росте населения никогда не потеряет своей важности. Забота о том, как контролировать новые быстрые репликаторы, скоро станет действительно важной.

Машины, способные схватить и куда-то поместить отдельные атомы будут способны строить почти всё что угодно, связывая нужные атомы вместе нужным образом, как я это описал в конце Главы 1. Безусловно, строительство больших объектов по одному атому будет медленным.

Чтобы быстро создавать большие объекты, должно сотрудничать большое число ассемблеров сотрудничать, но репликаторы будут производить ассемблеры тоннами. Действительно, при правильной конструкции различие между ассемблерной системой и репликатором будет заключаться целиком в программе ассемблера.

Если самовоспроизводящийся ассемблер может сделать свою копию за тысячу секунд, то его можно запрограммировать, чтобы он построил что-нибудь ещё своего размера с той же скоростью. Точно так же тонна репликаторов может быстро построить тонну чего-нибудь еще – и продукт будет иметь все свои миллиарды миллиардов миллиардов атомов в правильных местах, только с очень небольшой долей расположенных ошибочно.

Чтобы понять способности и ограничения этого метода сборки больших объектов, представьте себе плоский лист, покрытый маленькими сборочными манипуляторами – может быть армией репликаторов, запрограммированных для строительных работ и выстроившихся правильными рядами. Конвейеры и каналы связи за ними снабжают их молекулами для реакций, энергией и инструкциями по сборке. Если каждый манипулятор занимает площадь в 100 атомных диаметров, то позади каждого ассемблера будет место для конвейеров и каналов в сумме приблизительно в 10,000 атомов площади по диагонали поперечного сечения.

Похоже, этого места достаточно. Место в десять или двадцать атомов шириной может вмещать конвейер (возможно основанный на молекулярных поясах и шкивах). Канал в несколько атомов шириной может содержать молекулярный стержень, который, подобно стержням в механическом компьютере, упомянутым в главе 1, будет толкать и тянуть, чтобы передавать сигналы. Все манипуляторы будут работать вместе для построения широкого, твердую структуру слой за слоем. Каждый манипулятор будет ответственен за собственную область, работающую приблизительно с 10,000 атомами на слой. Лист ассемблеров, обрабатывающий 1,000,000 атомов в секунду на один манипулятор, закончит приблизительно одну сотню атомных слоев в секунду. Это может казаться слишком быстрым, но с этой скоростью, наращение толщины с бумажный лист будет занимать около часа, а создание плиты толщиной в метр займет в год.

Более быстрые манипуляторы могли бы ускорить сборку до более чем метра в день, но они выделят больше ненужного тепла. Если они могли бы строить слой толщиной в метр за день, высокая температура от одного квадратного метра могла бы поджаривать одновременно сотни бифштексов и могла бы поджарить молекулярные машины.

Представьте себе попытку построить дом путём склеивания отдельных зёрен песка. Добавление слоя зёрен могло бы занять у машин, склеивающих зёрна, так много времени, что выращивание стен дома будет занимать десятилетия. Теперь представьте себе, что машины на фабрике вначале склеивают зёрна в кирпичи. Фабрика может работать сразу с многими кирпичами. С достаточным количеством машин, склеивающих зёрна, кирпичи могли бы вырастать быстро; сборщики стен могли бы далее быстро строить стены, складывая уже собранные кирпичи. Аналогично молекулярные ассемблеры будут работать вместе с большими ассемблерами, которые будут быстро строить большие объекты: машины могут быть любого размера от молекулярного до гигантского. При таком подходе большая часть тепла, выделяемого при сборке будет рассеиваться далеко от места сборки, при производстве частей.

Строительство небоскрёба и архитектура живого предлагают аналогичный способ строить большие объекты. Большие растения и животные имеют сосудистые системы, сложные системы каналов, которые несут материалы к молекулярным машинам, работающим везде в их тканях. Подобным образом после того как сборщики закончат каркас небоскрёба, "сосудистая система" здания – эскалаторы и коридоры, с помощью кранов – будут переносить строительные материалы к рабочим по всему внутреннему объёму здания. Сборочные системы также могли бы использовать эту стратегию, вначале возводя леса и далее работая внутри по всему объёму, соединяя материалы, принесённые по каналам извне.

Представьте себе этот подход, используемый для «выращивания» большого двигателя ракеты, работающий внутри чана на промышленном предприятии. Чан – сделанный блестящей стали, со стеклянным окном для удобства посетителей возвышается выше человеческого роста, так как он должен содержать законченный двигатель. Трубы и насосы связывают его с другим оборудованием и к теплообменникам с водяным охлаждением. Это устройство позволяет оператору пропускать через чан различные жидкости.

Чтобы начать процесс, оператор откидывает крышку чана, и опускает в него опорную плиту, на которой будет строиться двигатель.