Keby každý nástroj na požiadanie, alebo z prirodzenosti vlastnej vykonával prácu ktorá mu náleží... potom by nebolo viac treba sluhov pre majstrov či otrokov pre pánov.

Aristoteles

27. marca 1981 citovalo CBS radio vedca z NASA ktorý sa vyjadril že inžinieri budú schopní do dvadsiatich rokov skonštruovať replikujúce sa roboty ktoré budú následne využité vo vesmíre i na Zemi. Tieto stroje budú vytvárať svoje vlastné kópe a tieto kópie budú vytvárať úžitkové produkty. Nepochyboval o realizácii svojich slov ale iba o časovom horizonte v ktorom budú tieto stroje vybudované. Mal pravdu.

Od roku 1951 kedy John von Neumann načrtol princípy replikujúcich sa strojov vedci pramálo pochybujú o tom že sú tieto stroje možné. V roku 1953 opísali Watson a Crick štruktúru DNA čím ukázali ako sa v živých organizmoch prenášajú inštrukcie ktoré riadia utváranie týchto organizmov. Biológovia odvtedy urobili obrovský pokrok v pochopení toho ako celá táto replikačná mašinéria bunky funguje. Zistili že súhlasia s princípmi ktoré predložil von Neumann. Tak ako sú vtáky dôkazom možnosti letu , tak je život ako taký dôkazom že seba-replikácia je uskutočniteľná, prinajmenšom v prípade systémov molekulárnych strojov. No onen vedec z NASA mal na mysli niečo iné.

Klapot replikátorov

Biologické replikátory ako napr. víry, baktérie, rastliny či ľudia využívajú molekulárne zariadenia. Umelé replikátory môžu namiesto toho využívať zhlukové technológie. Keďže dnes bežne využívame zhlukové technológie, inžinieri ich môžu využiť na vytvorenie replikátorov ešte predtým ako na scénu vstúpia molekulárne technológie.

Starobylý mýtus o magickej životodárnej sile (prípadne spolčený so zavádzajúcou myšlienkou ktorá hovorí že nárast entropie znamená že všetko vo vesmíre musí neustále upadať ) vyslal do sveta mém tvrdiaci že replikátory musia porušovať nejaký prírodný zákon. Proste to tak nieje. Biochemici chápu ako sa bunky množia a nenachádzajú v tom žiadne čáry-máry. Naopak, čo nachádzajú sú stroje ktorým je dodávaný všetok potrebný materiál, energia a inštrukcie potrebné na splnenie úlohy. Bunky sa množia, roboty sa množiť môžu.

Pokroky v automatizácii budú prirodzene viesť k vytvoreniu mechanických replikátorov a to i bez toho aby si to niekto vytýčil za cieľ. So silnejúcimi súťaživými tlakmi ktoré sa prejavia v čoraz silnejšom náraste automatizácie sa dopyt po ľudskej práci v továrniach bude znižovať. Vo výrobnej továrni strojárskej sekcie Fujitsu Fanuc pracuje počas dennej smeny 19 zamestnancov a ani jeden počas nočnej smeny. Táto továreň vyprodukuje za mesiac 250 strojov, pričom 100 z nich sú roboty.

Roboty by prípadne dokázali vykonávať všetku prácu potrebnú pre zostrojenie nových robotov či iného vybavenia, vyrábať jednotlivé súčiastky, zodpovedať za beh baní či generátorov ktoré fabrikám dodávajú materiály a výkon, atď. Ajkeď by takáto sieť tovární rozosiata po celej krajine nepripomínala tehotného robota, stále by ju bolo možné považovať za rozširujúci sa a seba-replikujúci sa systém. Prielom Tvariteľov sa istotne udeje ešte pred úplnou automatizáciou priemyslu, no i dnešné kroky vedú k istej forme gigantického replikátoru.

Avšak ako môže byť taký systém spravovaný a opravovaný bez využitia ľudskej práce?

Predstav si automatizovanú továreň schopnú testovať súčiastky aj ich skladať do výsledných ceľkov. Chybné súčiastky neprejdú testom a sú alebo vyhodené alebo zrecyklované. V prípade že továreň dokáže stroje nielen skladať ale aj rozkladať, sú opravy jednoduché: jednoducho rozlož nefungujúce zariadenie, otestuj všetky súčiastky, nahraď všetky opotrebované či zlomené časti a znova ich pospájaj. Efektívnejší systém bude samozrejme diagnostikovať problémy bez toho aby bolo nutné testovať každú súčiastku, no niečo také nieje nutné.

Takýto rozložitý systém tovární nacpaných robotmi by fungoval ale bol by príliš ťažkopádny. Dovolím si tvrdiť že inžinieri by vďaka šikovnému návrhu a minimálneho množstvu rozlišných častí a materiálov dokázali dospieť k samo sa replikujúcemu systému ktorý by sa zmestli do krabice, no krabica by to bola veľká pretože by musela obsahovať náradie na vytvorenie a pospájanie mnohých rozličných častí. Koľkých častí? Toľkých koľko samotná krabica obsahuje. Koľko rozdielných súčiastok a materiálov je treba na vybudovanie stroja ktorý bude schopný vytvoriť a poskladať toľko rozličných materiálov a súčiastok? To sa ťažko odhaduje no systémy podložené dnešnými technológiami by využívali elektronické chipy. K vytvoreniu niečoho takého potrebujeme toľké príslušenstvo že sa do brucha malého replikátoru istotne nezmestí.

Zajace sa množia , no k tomuto množeniu potrebujú predpripravené podjednotky ako sú napríklad vitamínové molekuly. Vďaka tomu že ich získavajú v potrave môžu prežívať za využitia menšieho množstva potrebných molekulárnych zariadení ako v prípade že by si všetko vytvárali takpovediac od piky. Nápodobne i mechanický replikátor ktorý by využíval vopred pripravené čipy by mohol byť o niečo jednodušší ako ten ktorý by si vytváral všetko čo potrebuje. Tieto jeho "stravovacie" návyky by ho taktiež naviazali na oveľa širšiu "ekológiu" strojov ktorá by ho držala na vodítku. Inžinieri v rámci štúdií sponzorovanými NASA preložili návrh aby sa takéto poloreplikátory využívali vo vesmíre. To by umožnilo rozvoj vesmírneho priemyslu bez nutnosti príliš rozsiahleho vstupu sofistikovaných súčiastok zo Zeme.

Keďže by replikátory založené na zhlukových technológiách museli nielen spájať ale aj vyrábať svoje jednotlivé časti, museli by v sebe obsahovať zariadenia nielen na skladanie výsledného celku ale i na zhotovovanie jednotlivých "stavebných kameňov". To nám objasňuje výhodu molekulárnych replikátorov: sú zložené z atómov a atómy sú dodávané hotové.

Molekulárne replikátory

Bunky sa replikujú. Molekulárne stroje v nich obsiahnuté skopírujú bunkovú DNA ktorá nasmeruje ribozomálnu mašinériu k vytvoreniu ďalších strojov z jednoduchších molekúl. Tieto stroje a molekuly sú obsiahnuté vo vaku naplnenom tekutinou. Membrána tohto vaku umožňuje vstup molekulám paliva ,častiam z ktorých budú postavené alebo nové nanostroje alebo DNA alebo membrána; výstup je naopak umožnený palivu spotrebovanému či narušeným komponentám. Replikácia bunky je proces pri ktorom sa obsah vaku vnútri membrány skopíruje, zhromaždí sa na opačných póloch bunky až napokon dojde k rozdeleniu vaku na dve časti. Umelé replikátory by mohli byť skonštruované na podobnom princípe avšak za využitia Tvariteľov namiesto ribozómov. Takýmto spôsobom by sme mohli dospieť k bunkám podobným replikátorom ktoré niesú obmedzené len na jemné a krehké zvitky bielkovín.

Ale zdá sa že inžinieri vyvinú aj iné prístupy vedúce k zmnoženiu. Nieje pre evolúciu ľahké ovplyvniť základný vzor bunky, vzor ktorý má isté nedostatky. V prípade takých synapsií napríklad dochádza k prenosu signálu medzi mozgovými bunkami pomocou vyprázdnenia zásobníkov chemických molekúl. Tieto molekuly sa následne potulujú priestorom až do momentu kedy sa naviažu na receptory - zmyslové molekuly bunky - čo má niekedy za následok spustenie nervového impulzu. Chemická synapsia je pomalý spínač uspôsobený pre nervové impulzy ktoré sa pohybuju pomalšie ako zvuk. Vďaka assemblerom dokážu molekulárny inžinieri vystavať celé počítače menšie ako jednotlivá synapsia. Budú to počítače miliónnásobne rýchlejšie.

Rovnako ťažko ako sa môže podariť vyšľachtiť koňa na auto, sa môže mutácii a selekcii podariť zmeniť synapsiu na mechanický nanopočítač. No i tak sa inžinierom podarilo vytvoriť autá, rovnako ako sa im podarí postavať počítače rýchlejšie ako ľudský mozog či replikátory zdatnejšie ako sú existujúce bunky.

Niektoré z týchto replikátorov sa nebudú ani zďaleka na bunku podobať. Budú skôr pripomínať fabriky zmenšené na veľkosť bunky. Budú obsahovať nanozariadenia pripevnené na molekulárny rám a pohyblivé pásy pomocou ktorých sa budú jednotlivé súčiastky presúvať od stroja k stroju. Na vonkajšej strane budú mať určité množstvo tvariteľských ramien vďaka ktorým dokážu vyrobiť svoje vlastné kópie, kúsok po kúsku. Niekedy možno dokonca atóm po atóme.

Ako rýchlo sa dokážu replikátory rozmnožovať bude závisieť od ich rýchlosti a veľkosti. Predstav si že pokročilý Tvariteľ bude obsahovať milióny a milióny atómov: veď bude obsahovať tisíce pohyblivých častí z ktorých každá bude obsahovať v priemere okolo stovky atómov - prosto dosť častí potrebných pre utvorenie komplexného stroja. Pravdu povediac si dovolím tvrdiť že assembler bude vyzerať ako krabica ktorá bude základňou pre bacuľaté robotické rameno dlhé stovky atómov. Krabica i samotné rameno budú obsahovať zariadenia ktoré budú pohybovať ramenom z miesta na miesto a okrem toho i zariadenie ktoré budú zodpovedné za výmenu molekulárnych nástrojov na jeho špičke.

Za touto krabicou sa bude nachádzať zariadenie ktoré bude načítávať pásku a na jej základe bude vydávať mechanické signály ktoré budú riadiť pohyby ramena a zmeny ním užívaných nástrojov. Pred ramenom sa nachádza nedokončená štruktúra. Bežiace pásy prinesú molekuly až k systému zodpovednému za tvarbu. Niektoré molekuly dodávajú energiu motorom ktoré poháňajú čítačku pásky a rameno, iné slúžia ako zdroj skupín atómov z ktorých sa tvorí. Atóm po atóme či skupina po skupine je pomocou ramena umiestňovaná na miesto predurčené páskou; vďaka chemickým reakciám sú pri kontakte naväzované na výslednú štruktúru.

Tvariteľia budú pracovať rýchlo. Rýchly enzým akým je napríklad uhlíkatá anhydráza alebo ketosteroidová izomeráza dokážu spracovať skoro milión molekúl za sekundu a to i bez prítomnosti pomocných bežiacich pásov a iných riadených mechanizmov ktoré nalátajú molekulu na miesto určenia ihneď potom ako je stará molekula uvolnená. Môže sa to javiť ako prehnané očakávať od Tvariteľa aby uchopil molekulu, pohol ňou a narazil na presne určené miesto za jednu milióntinu sekundy. No malé zariadenia sa dokážu hýbať tu a tam veľmi svižne. Ľudským ramenom môžeme za sekundu hore-dole zamávať niekoľko krát, prstami dokážeme ťukať o niečo rýchlejšie, pohyb muších krídeľ vydáva zvuk a vysokofrekvenčný bzukot krídeľ komárích, ten nás častokrát privádza k šialenstvu. Možno povedať že hmyz dokáže svojimi krídlami hýbať skoro tisíckrát rýchlejšie ako my našimi ramenami preto, že hmyzie krídlo je skoro tisíckrát kratšie.

Rameno assembleru bude približne päťdesiatmiliónkrát kratšie ako je rameno ľudské a tak nám vychádza že sa bude môcť pohybovať tam a späť skoro päťdesiatmiliónkrát rýchlejšie. Voľajakých milión pohybov za sekundu bude pre assembler niečo podobné ako je pre ľudské rameno jeden pohyb za minútu: slimáčie tempo. Tento cieľ možno považovať za dosiahnuteľný.

Rýchlosť replikácie bude závisieť na celkovej veľkosti systému ktorý budeme stavať. Tvaritelia sa nebudú replikovať len tak sami od seba, budú vyžadovať materiál, energiu a inštrukcie ako s nimi naložiť. Bežné chemikálie môžu poslúžiť ako zdroj materiálov a energie avšak k ich spracovaniu bude potrebná prítomnosť dodatočných zariadení.Hrboľaté polymérové molekuly môžu niesť informáciu podobné ako dierkovaná páska no k jej zúžitkovaniu dôjde iba v prípade že máme k dispozícii čítačku ktorá preloží hrboľatý vzor do reči pohybov ramena. Tieto časti sú esenciálnymi zložkami replikátoru: páska dodáva inštrukcie potrebné k tvarbe Tvariteľovej kópie, čítačky, ostatných nanozariadení i pásky samotnej.

Rozumný návrh takéhoto replikátoru bude pravdepodobne obsahovať niekoľko hlavných ramien a niekoľko pomocných ramien ktoré budú držať a pohybovať časti s ktorými sa pracuje. Každé z ťýchto ramien nám k celku pridá niečo okolo milióna atómov. Iné časti - čítačky pásky, chemické procesory atď. - môžu byť rovnako komplikovaným orieškom k rozlúsknutiu ako je samotný assembler. Tak sa nakoniec zdá že dostatočne flexibilný Tvariteľský systém bude pravdepodobne obsahovať jednoduchý počítač; v prípade mechanického prístupu spomenutého v prvej kapitole nám to k ceľku pridá približne 100 miliónov atómov. Všetko dohromady by sa teda malo zmestiť pod hranicu 150 miliónov atómov ale predpokladajme radšej celkové číslo 1 miliarda ktoré nám ponechá dostatočne veľa priestoru v prípade možnej chyby. Odmyslime si taktiež dodatočné schopnosti plynúce z prítomnosti viacerých ramien čím získavame ešte širší priestor pre chybný odhad. V prípade že dokáže systém umiestniť milión atómov za sekundu, tak skopírovanie samého seba by malo byť zvládnuté za tisíc sekúnd čo je niečo cez štvrť hodinky. Za tento čas sa v prípade dobrých podmienok dokáže zreplikovať baktéria.

Predstavme si takýto replikátor ako si tak pláve v skúmavke plnej chemikálii utvárajúc svoje kópie. Za tisíc sekúnd vytvorí jednu svoju kópiu, za desať hodín je to už tridsať šesť. Za týždeň vytvorí dostatok kópií na to aby úplne vyplnili objem ľudskej bunky. Za storočie by sme možno získali zrakom badateľnú kôpku. V prípade že by toto bolo všetko čoho sú replikátory schopné, mohli by sme ich bezpečne odignorovať.

Ale pravda je taká že každá kópia bude vytvárať ďalšie kópie. A tak nám za tisíc sekúnd vytvorí prvý replikátor svoju kópiu, tieto dva replikátory sa stanú štyrmi v prípade ďalších tisícich sekúnd, štyri utvoria ďalšie štyri a osem utvorí ďalších osem. O desať hodín neskôr už nehovoríme o tridsiatich-šiestich nových replikátoroch ale o 68 miliardách. Za čas kratší ako deň budú vážiť tonu, za menej ako dva dni budú vážiť viac ako Zem a za ďalšie štyri hodiny bude ich hmotnosť väčšia ako hmotnosť Slnka a všetkých jeho planét dokopy - samozrejme iba v prípade že nám v našej skúmavke nedošiel materiál.

Klasické zdvojnásobovanie znamená exponenciálny rast. Replikátory sa množia exponenciálne v prípade že im v tom nieje zabránené či už nedostatkom priestoru alebo zdrojov. Robia to baktérie a to približne rovnakou rýchlosťou ako replikátory ktoré sme práve popísali. Ľudia sa množia oveľa pomalšie no v prípade že im bude daný dostatok času, taktiež dokážu prestreliť možnosti akéhokoľvek konečného zdroja surovín. Zaoberanie sa rastom populácie nestráca na závažnosti. Zaoberanie sa kontrolou svižných nových replikátorov sa čoskoro stane nemenej dôležitým.