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.
Молекулы и небоскребы
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.
