Проблема Серой Слизи

В классическом сценарии «серой слизи» Эрика Дрекслера вышедшие из-под контроля нанотехнологические репликаторы истребляют всю жизнь на Земле. Данная статья Роберта Фрейтаса представляет собой первый количественный технический анализ этого катастрофического сценария, а также предлагает ряд возможных решений. Она была написана частично в ответ на опасения, недавно высказанные Биллом Джоем.

Изначально эта статья была опубликована в апреле 2000 года под названием «Некоторые пределы глобальной экофагии биоядными нанорепликаторами, с рекомендациями для государственной политики» (Some Limits to Global Ecophagy by Biovorous Nanoreplicators, with Public Policy Recommendations). Оригинальная версия вышла в апреле 2000г. Здесь приводится сокращённая версия с сайта KurzweilAI.net от 20 марта 2001г.

Краткое содержание.

Максимальная скорость глобальной экофагии биоядными саморазмножающимися нанороботами фундаментальным образом ограничена следующими факторами: применяемой стратегией репликации; максимальной скоростью распространения подвижных репликаторов; доступной энергией и требуемыми химическими элементами; гомеостатическим сопротивлением биологической экосообществ к экофагии; пределами теплового загрязнения, связанного с экофагией; и, что важнее всего, нашей решимостью и готовностью остановить их.

Предполагая, что нынешние и предвидимые в будущем рассеивающие энергию системы требуют ~ 100 Мдж/кг для химических реакций (наиболее вероятно для биоядных систем), мы получим, что довольно медленная экофагия даст примерно 4°C к глобальному потеплению (что находится примерно на уровне немедленного обнаружения современными климатологическими средствами) и потребует примерно 20 месяцев для завершения; более быстрые устройства-экофаги будут работать с большим выделением тепла, что позволит контролирующим властям быстрее их заметить. Все исследованные сценарии экофагии могут быть обнаружены средствами бдительного мониторинга, позволяя в силу этого быстро развернуть эффективные защитные инструменты.

Введение.

Недавние дискуссии [1] о возможных опасностях, связанных с будущими технологиями, такими как искусственный интеллект, генная инженерия и молекулярная нанотехнология, сделали очевидным то, что необходим интенсивный теоретический анализ основных рисков окружающей среде со стороны молекулярной нанотехнологии (MNT). Никаких систематических исследований рисков и ограничений MNT технологий пока не предпринималось. Эта статья представляет собой первую попытку начать этот аналитический процесс с применением количественных методов.

Возможно, впервые обнаруженная и наиболее известная опасность молекулярной нанотехнологии – это опасность, что самореплицирующиеся нанороботы, способные автономно функционировать в естественной среде, могут быстро превратить естественную среду (то есть биомассу) в собственные копии (то есть наномассу) по всей планете. Этот сценарий обычно называется «проблемой серой слизи», но, пожалуй, более правильно мог бы быть назван «глобальной экофагией».

Как Дрекслер впервые предупредил в «Машинах Созидания» [2]:

«Растения» с «листьями», не более эффективными, чем сегодняшние солнечные элементы, могли бы выиграть в конкурентной борьбе с настоящими растениями, наводняя биосферу несъедобной листвой. Точно также всеядные «бактерии» могли бы победить в конкуренции настоящих бактерий: они могли бы распространиться, как летящая пыльца, стремительно размножаясь и сведя биосферу в пыль за считанные дни. Опасные репликаторы могли бы легко быть слишком жесткими, маленькими и быстро распространяющимися, чтобы их можно было остановить - по крайней мере, если мы не сделаем никаких приготовлений. А у нас и так достаточно проблем с контролем над вирусами и фруктовыми мушками.

Среди знатоков нанотехнологий эта угроза стала известна как «проблема серой слизи». Хотя массы неконтролируемых репликаторов не обязаны быть серыми и склизкими, термин серая слизь подчёркивает, что репликаторы, способные уничтожить жизнь, могут быть не более вдохновляющими, чем ползучий сорняк. Они могут быть превосходными в эволюционном смысле, но это не делает их ценными.

Угроза серой слизи делает одну вещь абсолютно ясной: Мы не можем себе позволить определённого рода аварии с реплицирующимися ассемблерами.

Серая слизь определённо была бы печальным концом человеческих приключений на Земле, значительно худшим, чем огонь или лёд, и при этом она могла бы произойти из одной-единственной аварии в лаборатории.

Ледерберг [3] отмечает, что мир микробов развивается в быстром темпе, и предполагает, что наше выживание зависит от принятия «более микробной точки зрения». Возникновение новых инфекций, таких как ВИЧ и вирус Эбола, демонстрирует, что у нас пока очень мало знаний о том, как естественные или технологические вмешательства в окружающую среду могут запускать мутации в известных организмах или неизвестных существующих организмах [81], создавая ограниченную форму «зелёной слизи» [92].

Однако будет нелегко построить биоядных нанороботов, способные к всепоглощающей экофагии, и их конструирование потребует исключительного внимания к множеству сложных требований и тактических задач. Такие биопожиратели могут появиться только после длительного периода целенаправленных сконцентрированных усилий, или как результат намеренных экспериментов, направленных на создание искусственной жизни общего назначения, возможно, с использованием генетических алгоритмов, и очень маловероятно, что они возникнут исключительно в результате аварии.

Угроза экофагии.

Классическая молекулярная нанотехнология [2], [4] предвидит создание наномашин в основном сконструированных из богатых углеродом алмазоподобных материалов – даймонидов. Другая полезная нанохимия может включать в себя богатый алюминием сапфир (Al₂O₃), богатые бором (BN) или титаном материалы (TiC) и подобные им. TiC имеет наивысшую возможную рабочую температуру среди обычных материалов (точка плавления ~ 3410°K [5]), и, хотя алмаз может поцарапать TiC, TiC может быть использован для плавления алмаза.

Однако атомы Al, Ti и B гораздо более распространены в земной коре, чем в биомассе (81,300 ppm, 4400 ppm и 3 ppm, соответственно [5]), то есть в человеческом теле (0.1 ppm, 0 ppm, and 0.03 ppm [6]), что уменьшает прямую угрозу экофагии от таких систем. С другой стороны, углерод в тысячу раз менее распространён в земной коре (320 ppm, в основном карбонаты), чем в биосфере (~230,000 ppm).

Более того, возможность превращения литосферы в наномеханизмы не является главным поводом для беспокойства, поскольку обычные скалы содержат относительно мало источников энергии. Например, содержание естественных радиоактивных изотопов в скальных породах земной коры имеет значительные разброс, как функция их геологического происхождения и истории региона, но в основном находится в пределах 0.15-1.40 милиГр/год mGy/yr [7], давая мощность порядка 0.28-2.6×10^-7 Вт/м³, в предположении, что горные породы имеют плотность, приблизительно равную средней земной плотности (5522 кг/м³ [5]).

Этого крайне недостаточно для питания нанороботов, способных к значительной активности; современные конструкции наномашин в основном требуют энергетических мощностей порядка 10⁵-10⁹ Вт/м³ для того, чтобы достичь эффективных результатов [6]. (Биологические системы обычно функционируют с мощностями 10²-10⁶ Вт/м³ [6].)

Солнечная энергия не доступна под земной поверхностью, и средний поток геотермального тепла составляет только 0.05 Вт/м² на земной поверхности [6], что составляет только малую часть от солнечной энергии.

Гипотетические абиотические запасы нефти в земной коре [16], вероятно, не могут дать достаточной энергии для роста наномассы репликаторов по причине отсутствия окислителей глубоко под землёй, хотя были описаны потенциально большие популяции геобактерий [10-16], и в принципе некоторые необычные, хотя весьма ограниченные бактериальные источники энергии тоже могут быть заняты нанороботами.

Например, некоторые анаэробные бактерии используют металлы (вместо кислорода) в качестве акцепторов электронов [13], превращая железо из минералов вроде пироксена или оливина в железо в более окисленной форме в магнитных минералах вроде магнетита и маггемита, и используют геохемически возникающий водород, чтобы превращать СО2 в метан [11]. Подземные бактерии в отложениях Атрим Шейл производят 1.2 ×10⁷ м³/день природного газа (метана), потребляя остатки водорослей возрастом 370 млн. лет [17].

Также проводились эксперименты по биорекультивации в фирме Envirogen и в других, в ходе которых питающиеся загрязнениями бактерии намеренно вводились в землю, чтобы метаболизировать органические яды; в ходе полевых исследований выяснилось, что трудно заставить бактерии двигаться сквозь подземные водоносные слои, поскольку негативно заряженные клетки склонны склеиваться с позитивно заряженными оксидами железа в почве [18].

Однако главная тревога относительно экофагии состоит в том, что неудержимое распространение нанороботов-репликаторов или «реплиботов» превратит всю биосферу на поверхности Земли (то есть экосистему всех живых организмов на поверхности Земли) в искусственные материалы некого рода – особенно, материалы вроде них самих, иначе говоря, в ещё большие количества самореплицирующихся наноробтов.

Поскольку продвинутые нанороботы могут быть сконструированы в основном из богатых углеродом алмазоподобных материалов [4], и поскольку ~12% всех атомов в человеческом теле (что типично для биологии в целом) – это атомы углерода, или ~23% по весу, запас углерода во всей земной биомассе может оказаться достаточным для самопроизводства конечной массы реплицирующихся алмазоидных нанороботов порядка ~0.23 Mbio, где Mbio – полный вес земной биомассы.

В отличие от большинства естественных материалов, биомасса может служить как источника углерода, так и источника энергии для репликации наномашин. Нанороботы-экофаги могут считать живые организмы в качестве естественных накопителей углерода, а биомассу – в качестве ценной руды для добычи углерода и энергии. Разумеется, биосистемы, из которых выделен весь углерод, больше не могут быть живыми, но вместо этого будут безжизненной химической грязью.

Другие возможные сценарии.

Были обнаружены четыре других сценария, которые могут привести непрямым образом к глобальной экофагии. Мы их рассмотрим ниже. Во всех случаях раннее обнаружение кажется возможным при достаточном уровне подготовки, и адекватная защита легко представима при использовании молекулярных нанотехнологий сопоставимой сложности.

Серый Планктон.

Существование 1-2 ×10¹⁶ кг [24] подводных запасов углерода на материковых окраинах в виде клатратов метана и подобного же количества (3.8 ×10¹⁶ кг) растворённого в воде углерода в форме CO₂ представляет собой запас углерода более чем на порядок больший глобальной биомассы.

Метан и CO₂ в принципе могут реагировать, образуя чистый углерод и воду, плюс 0,5 МДж/кг энергии. (Некоторые исследователи изучают возможность уменьшить эффект парниковых газов, закачивая жидкий [44] или твёрдый [45] CO₂ на дно океана, что потенциально может облегчить задачу морским реплиботам по метаболизму запасов метана.)

Кислород также может быть транспортирован с поверхности в микробаках под давлением посредством системы транспорта, основанной на плавучести, в которой превращение хлатрата метана в наномассу будет происходить на морском дне.

Последующая колонизация богатой углеродом наземной экосистемы огромной и голодной массой выросших на морском дне репликаторов называется сценарием «серого планктона».

(Фитопланктон, имеющий размеры в 1-200 микрометров, состоит из частиц наиболее ответственных за изменение оптических свойств океанской воды по причине сильного поглощения этими клетками голубых и красных частей оптического спектра [37].)

Если контроль не будет вестись около морского дна во время основного цикла репликации нанороботов, то естественное отношение числа живых клеток к числу нанороботов окажется больше на много порядков величины, что требует более тщательных усилий по подсчёту. Осуществляющие подсчёт нанороботы могут быть использованы для обнаружения, отключения, опрыскивания или разрушения устройств серого планктона

Серая пыль (Поедатели воздуха - Aerovores)

Традиционные конструкции алмазоидной наномашинерии [4] используют 8 основных химических элементов, при этом все они присутствуют в атмосфере в значительных количествах [46]. (Кремний присутствует в воздухе в виде микроскопической пыли, которая содержит ~28% Si в случае скальных пород [5], при средней концентрации пыли в атмосфере ~0.0025 mg/m³.) Потребность в относительно редких в атмосфере элементах значительно ограничивает потенциальную наномассу и скорость роста летающих репликаторов.

Однако отметьте, что одна из классических конструкций наноробота имеет более 91% CHON по весу. И хотя это будет крайне трудно сделать, теоретически возможно, что репликаторы будут сделаны почти целиком из CHON, и в этом случае такие устройства могут реплицироваться относительно быстро с использованием только атмосферных ресурсов и солнечную энергию. Всемирное покрывало из летающих в воздухе репликаторов или «аэроворосов» (воздухоядных), которое блокирует весь солнечный свет, было названо сценарием «серой пыли» [47]. (Уже было несколько экспериментов с выпуском в воздух рекомбинантных бактерий [48].)

Наиболее эффективной стратегией борьбы с ними будет выброс в воздух несамореплицирующихся нанороботов, снабжённых клейками микро неводами.

В качестве альтернативного метода борьбы легко можно представить летающие или базирующиеся на земле системы атмосферной фильтрации, которые позволят осуществлять более быструю фильтрацию. Например, поскольку сила тяги изменяется пропорционально квадрату скорости при увеличении размеров ячейки сетки в 10 000 раз при снижении скорости в 100 раз, суммарная сила тяги остаётся неизменной, но полное прокачивание атмосферы происходит в 100 раз быстрее, например, за ~15 минут.

Серый лишайник.

Колонии грибов и водорослей в симбиозе, известные как лишайники (которых некоторые называют формой подвоздушной биоплёнки) находятся среди первых растений, которые начинают расти на голом камне, помогая формированию почвы путём разъедания скал [55]. Микробные сообщества литобионтов, такие как корковые скальные лишайники, проникают в минеральные поверхности на глубины до 1 см, используя комплексное растворение, селективный транспорт и процессы рекристаллизации, иногда называемые термином «биологическое выветривание» [56].

Колонии эпилитических (живущих на поверхности скал) микроскопических бактерий создают слой патины толщиной 10 микрон на скалах в пустынях (называемой «пустынная ржавчина» [57]) и содержат следовые количества оксидов Mn и Fe, которые помогают обеспечить защиту от тепла и УФ-радиации [57-59].

В теории, реплицирующиеся нанороботы могут быть почти полностью сделаны их неалмазоидных материалов, включая неуглеродные химические элементы, такие как кремний, алюминий, железо, титан и кислород. Последующая экофагия живущих на поверхности живых существ злонамеренно запрограммированной популяцией неуглеродных эпилитических репликаторов является сценарием «серого лишайника».

Непрерывный прямой учёт образцов с земной поверхности почти наверняка обеспечит ранее обнаружение, поскольку минералогические нанороботы будут легко отличимы от инертной скалы и от органических микробов в верхних 3-8 см почвы.

Злонамеренная экофагия.

Более опасные сценарии включают в себя экофагические атаки, которые предприняты не для превращения биомассы в наномассу, но, в первую очередь, для уничтожения биомассы. Оптимальная злонамеренная стратегия экофагической атаки, по-видимому, включает двухфазный процесс.

На первой фазе начальные семена реплиботов широко распространяются в окрестностях биомассы, на которую они нацелены, реплицируясь максимально скрытным образом до некоторого критического размера популяции и потребляя материал местной окружающей среды, чтобы набрать наномассу. На второй фазе уже большая популяция реплиботов прекращает размножение, и действует исключительно ради своей главной цели – разрушения. В общем, эта стратегия может быть описана как Строить/ Разрушать.

В фазе строительства опасных «злоботов» ("badbots"), предполагаемые их технологические эквиваленты, защитные «доброботы» ("goodbots") имеют, по крайней мере, три важных тактических преимущества перед своими соперниками:

1. Подготовка – защитные агентства могут заранее произвести и накопить подавляюще большие количества защитных инструментов (желательно, не самореплицирующихся), то есть доброботов, которые могут быть немедленно размещены по первому признаку угрозы, с минимальным дополнительным риском для среды.

2. Эффективность – в то время как злоботы должны одновременно реплицироваться и защищать себя от атак (активно или сохраняя невидимость), доброботы могут сконцентрироваться исключительно на атаке злоботов (например, по причине своего подавляющего численного превосходства при раннем размещении) и в силу этого иметь меньшие операционные расходы и более высокую эффективность в достижении своих целей, при прочих равных.

3. Эффект рычага – в отношении материалов, энергии, времени и сложности меньше ресурсов, вообще говоря, требуется, чтобы ограничить, ослабить или разрушить сложную машину, чем требуется, чтобы построить или реплицировать настолько же сложную с нуля (например, одна маленькая бомба может уничтожить большую фабрику по производству бомб; одна маленькая ракета может уничтожить большой корабль).

Наиболее выгодно бороться со злонамеренной угрозой экофагии, когда она всё ещё находится на своей стадии строительства. Это требует предвидения и преданности интенсивному контролю со стороны оборонных ведомств.

Заключение и рекомендации для государственной политики.

Наименьший возможный биоядный нанорепликатор имеет молекулярный вес ~1 гигадальтона (1 дальтон примерно равен массе атома водорода) и минимальное время репликации порядка 100 секунд, что в теории позволяет глобальной экофагии закончится всего на всего за примерно 10 000 секунд. Однако такое быстрое реплицирование создаёт немедленно обнаружимую температурную подпись, позволяющую быстро разместить эффективные оборонительные инструменты – до того, как будет нанесён значительный ущерб экосистеме.

Такие оборонительные инструменты будут генерировать своё собственное тепловое загрязнение во время оборонительных операций. Это не должно ограничить защитную стратегию значительным образом, поскольку опрыскивание, отключение и разрушение работающего нанорепликатора должно потреблять гораздо меньше энергии, чем потребляется нанорепликатором в течение одного цикла репликации, и, следовательно, такие оборонительные операции являются по сути эндотермическими.

Экофагия, которая происходит на уровне порога современного климатического обнаружения, добавляя примерно ~4°C к глобальному потеплению, может потребовать ~20 месяцев на своё завершение, и этого времени достаточно для раннего предупреждения о необходимости изготовить эффективную защиту.

Экофагия, которая развивается достаточно медленно, чтобы избежать лёгкого обнаружения с помощью мониторинга температуры, потребует много лет для своего завершения, и всё же может быть замечена с помощью контроля на местах, и может быть, по крайней мере, частично преодолена благодаря более быстрому росту биомассы в силу естественных гомеостатических компенсаторных механизмов, присущих земным экосистемам.

Непрямая экофагия, выполняемая с помощью популяции реплиботов, заранее выращенных в небиологическом субстрате, может быть избегнута благодаря тщательному термическому мониторингу и прямому взятию образцов из соответствующих земных ниш с целью поиска растущих и возможно опасных популяций нанороботов на стадии пред-экофагии.

Конкретные рекомендации для государственной политики, исходящие из результатов проведённого анализа, включают:

1. Немедленный международный мораторий на все эксперименты в области искусственной жизни, выполняемые на небиологических носителях. В этом контексте «искусственная жизнь» определяется как автономно питающиеся репликаторы, за исключением чисто биологических реализаций (которые уже покрыты рекомендациями Национального института здоровья [65] и тактически применяются во всём мире), а также за исключением программных симуляций, которые носят исключительно подготовительный характер и должны продолжаться. Альтернативные «врождённо безопасные» стратегии репликации, такие как «широковещательная архитектура» [66], уже хорошо известны.

2. Непрерывной всеобъемлющее наблюдение земной поверхности в инфракрасных лучах с геостационарных спутников, как для того, чтобы контролировать имеющиеся запасы биомассы, так и для обнаружения (и последующего расследования) любых быстро растущих искусственных горячих точек. Это может быть расширением нынешних или предлагающихся систем мониторинга Земли (например, системы мониторинга Земли НАСА [67] и программ удалённого наблюдениями за болезнями [93]), изначально созданных для изучения и предсказания глобального потепления, изменений в землепользовании и так далее – изначально использующих не наномасштабные технологии. Другие методы обнаружения также возможны и требуются дальнейшие исследования, чтобы идентифицировать и правильно рассчитать полный список альтернатив.

3. Инициация долговременной исследовательской программы с целью обретения знаний и возможностей, необходимых для противодействия репликаторам-экофагам, включая построение сценариев и анализ угроз с численными симуляциями, анализ мер и контрмер, теорию и проектирование глобальных систем мониторинга, способных быстро детектировать и реагировать, протоколы определения свой-чужой, и, в конце концов, конструирование адекватных нанороботных системных оборонительных возможностей и инфраструктуры.

Связанная с этим долговременная рекомендация состоит в инициации создания глобальной всеобъемлющей системы экосферного контроля на местах, могущей включать в себя возможные сигнатуры активности нанороботов (например, изменения в концентрации парниковых газов), отбор образцов на предмет обнаружения нанороботов на земле, в море и в воздухе, что гарантировано темпом развития новых возможностей молекулярных нанотехнологий.

автор:Роберт Фрейтас

автор перевода:Алексей Турчин

Изначально эта статья была опубликована в апреле 2000 года под названием «Некоторые пределы глобальной экофагии