In tutto quello che ho descritto, sono rimasto aderente ai fatti dimostrati della chimica e biologia molecolare. Comunque, alcuni sollevano regolarmente certe questioni radicate nella fisica e biologia. Queste meritano una risposta più diretta.
Questo principio afferma (tra le altre cose) che le particelle non possono essere immobilizzare in una determinata posizione per un qualsiasi intervallo di tempo. Esso limita quello che le macchine molecolari possono fare, come limita quello che qualsiasi altra cosa può fare. Comunque, calcoli dimostrano che questo principio pone pochi importanti limiti sulla precisione con cui gli atomi possono essere posizionati, almeno per gli scopi qui delineati.
Il principio di indeterminazione rende la posizione degli elettroni quasi imponderabile, e difatti questa caratteristica determina la reale dimensione e struttura degli atomi. Un atomo nell'insieme, comunque, ha in confronto una posizione definita, quella del suo massiccio (relativamente agli elettroni) nucleo. Se gli atomi non stessero assieme molto bene, le molecole non esisterebbero. Non c'è bisogno di studiare meccanica quantistica per credere a queste conclusioni, poiché le macchine molecolari all'interno delle cellule dimostrano che tali macchine funzionano.
Le vibrazioni termiche causeranno maggiori problemi del principio di indeterminazione, ma, ancora una volta, l'esistenza di macchine molecolari dimostra direttamente che esse possono funzionare a temperature ordinarie. Nonostante le vibrazioni termiche, il meccanismo di duplicazione del DNA in alcune cellule fa meno di un errore su 100,000,000,000 operazioni. Per ottenere questa accuratezza, comunque, le cellule usano meccanismi (come l'enzima DNA polimerasi I) che verificano le copie e correggono gli errori. Gli assemblatori potranno aver bisogno di simili capacità di controllare e correggere errori, se dovranno produrre risultati affidabili.
Radiazioni ad alta energia possono rompere i legami chimici e distruggere le molecole. Le cellule viventi ancora una volta mostrano che esistono delle soluzioni: esse operano per anni riparando e sostituendo le parti danneggiate dalle radiazioni. Date le piccole dimensioni delle singole macchine, esse costituiscono dei difficili obbiettivi e raramente vengono colpite. Inoltre, se un sistema di nanomacchine deve essere affidabile, dovrà tollerare un certo grado di danneggiamento, e le parti danneggiate dovranno essere regolarmente riparate o sostituite. Questo approccio alla questione dell'affidabilità è ben noto ai progettisti di aerei e astronavi.
Si può rispondere in parte a questa domanda osservando le macchine molecolari delle cellule. Questo è un semplice ma notevole caso in cui le leggi della natura permettono a piccoli gruppi di atomi di comportarsi come macchine controllabili, capaci di costruire altre nanomacchine. Eppure malgrado la loro somiglianza ai ribosomi, gli assemblatori differiranno da qualsiasi altra cosa presente nelle cellule; le cose che faranno - pur consistendo di ordinari spostamenti e reazioni fra molecole - avranno risultati nuovi. Nessuna cellula, per esempio, crea fibre di diamante.
L'idea che nuovi tipi di molecole consentiranno nuove, utili capacità può sembrare sorprendente: nei miliardi di anni di evoluzione la vita non ha mai smesso di fare affidamento su macchine proteiche. Ma questo suggerisce che siano impossibili dei miglioramenti? I progressi dell'evoluzione attraverso piccoli cambiamenti, e l'evoluzione del DNA non può sostituire con facilità il DNA stesso. Poiché il sistema DNA/RNA/ribosomi è specializzato nel costruire proteine, la vita non ha mai avuto alcuna reale possibilità di evolvere un'alternativa. Qualsiasi manager di produzione può ben comprenderne le ragioni; la vita, persino più di una fabbrica, non può permettersi di spegnere e sostituire i suoi vecchi sistemi di produzione.
Migliori macchine molecolari non dovrebbero sorprenderci più del fatto che una lega d'acciaio sia dieci volte più resistente delle ossa, o che cavi di rame trasmettano segnali milioni di volte più velocemente che i nervi. Le automobili sono più veloci dei ghepardi i jet volano meglio e più veloci dei falchi e i computer già calcolano più in fretta degli esseri umani. Il futuro porterà ulteriori esempi di miglioramenti dell'evoluzione biologica, uno solo dei quali sarà la seconda generazione di nanomacchine .
In termini fisici, è abbastanza chiaro perché migliori assemblatori saranno capaci di fare un numero maggiore di lavori delle macchine proteiche esistenti. Essi saranno programmabili come i ribosomi, ma potranno usare un insieme di strumenti più ampio di tutti gli enzimi di una cellula messi assieme.
Poiché saranno costituiti di materiale molto più forte, rigido e stabile delle proteine, potranno esercitare forze più grandi, eseguire spostamenti con maggiore precisione, e sopportare condizioni più severe. Come un braccio robotico industriale - ma a differenza di qualsiasi cosa in una cellula vivente - potranno ruotare e muovere molecole in tre dimensioni sotto il controllo di un programma, rendendo possibile il preciso assemblamento di oggetti complessi. Questi vantaggi permetteranno di assemblare un range di strutture molecolari molto più ampio di quanto hanno fatto le cellule viventi.
Qualcuno potrebbe dubitare che nanomacchine artificiali possano persino uguagliare le capacità delle nanomacchine nelle cellule, se ci fossero ragioni per pensare che le cellule contengano qualcosa di magico che la faccia funzionare. Quest'idea è chiamata "vitalismo". I biologi l'hanno abbandonata perché hanno trovato spiegazioni chimiche e fisiche per ogni aspetto delle cellule viventi finora studiato, inclusa la loro motilità, crescita e riproduzione. Sicuramente questa conoscenza è il vero fondamento della biotecnologia.
Sono state costruite nanomacchine che , libere dalle cellule e fluttuanti in provette sterili, compiono tutte le attività basilari che compiono all'interno delle cellule viventi. Partendo da composti chimici che possono essere ottenuti da aria e smog, i biochimici hanno costruito, senza l'aiuto delle cellule, macchine proteiche funzionanti. R.B. Merrifield, per esempio, ha usato tecniche chimiche per assemblare semplici amminoacidi e creare ribonucleasi bovina, un dispositivo enzimatico che disassembla le molecole di RNA. La vita è speciale nelle sue strutture, nel comportamento, e in cosa si prova a essere vivi "dal di dentro", ma le leggi della natura che governano i meccanismi della vita governano anche il resto dell'universo.
Le argomentazioni a favore della fattibilità di assemblatori e altre nanomacchine potrebbe sembrare convincenti, ma perché non aspettare semplicemente e vedere se possono essere sviluppate?
La pura curiosità sembra una ragione sufficiente per esaminare le possibilità aperte dalla nanotecnologia, ma ci sono ragioni più importanti. Questi sviluppi cambieranno il mondo entro dieci o quindici anni - cioè, nel corso della nostra vita o dei nostri familiari. Inoltre, le conclusioni dei capitoli seguenti suggerisce che una politica tipo aspetta-e-vedi potrebbe essere molto costosa - che potrebbe costare milioni di vite, e forse porre fine alla vita sulla terra.
La fattibilità di assemblatori e nanotecnologia è abbastanza solida da esser presa sul serio? Sembra di si, perché il cuore delle argomentazioni poggiano su due fatti ben consolidati della scienza e ingegneria. Questi sono (1) che macchine molecolari esistenti compiono un insieme di funzioni basilari, e (2) che parti che compiono queste funzioni possono essere combinate per costruire macchine complesse. Poiché le reazioni chimiche possono legare assieme gli atomi in modi diversi, e poiché le macchine molecolari possono dirigere le reazioni chimiche seguendo determinate istruzioni, gli assemblatori sono sicuramente fattibili.