home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #27 / NN_1992_27.iso / spool / sci / cryonics / 651 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-11-22  |  38.5 KB  |  696 lines

  1. Newsgroups: sci.cryonics
  2. Path: sparky!uunet!decwrl!parc!merkle
  3. From: merkle@parc.xerox.com (Ralph Merkle)
  4. Subject: The Technical Feasibility of Cryonics; Part #1
  5. Message-ID: <merkle.722466737@manarken>
  6. Sender: news@parc.xerox.com
  7. Organization: Xerox PARC
  8. Date: 22 Nov 92 21:12:17 GMT
  9. Lines: 685
  10.  
  11. The Technical Feasibility of Cryonics
  12.  
  13. PART 1 of 5.
  14.  
  15. by
  16.  
  17. Ralph C. Merkle
  18. Xerox PARC
  19. 3333 Coyote Hill Road
  20. Palo Alto, CA 94304
  21. merkle@xerox.com
  22.  
  23. A shorter version of this article appeared in:
  24. Medical Hypotheses (1992)  39, pages 6-16.
  25.  
  26. ABSTRACT
  27.  
  28. Cryonic suspension is a method of stabilizing the condition of someone 
  29. who is terminally ill so that they can be transported to the medical 
  30. care facilities that will be available in the late 21st or 22nd century.   
  31. There is little dispute that the condition of a person stored at the 
  32. temperature of liquid nitrogen is stable, but the process of freezing 
  33. inflicts a level of damage which cannot be reversed by current medical 
  34. technology.  Whether or not the damage inflicted by current methods can 
  35. ever be reversed depends both on the level of damage and the ultimate 
  36. limits of future medical technology.  The failure to reverse freezing 
  37. injury with current methods does not imply that it can never be reversed 
  38. in the future, just as the inability to build a personal computer in 
  39. 1890 did not imply that such machines would never be economically built.  
  40. This paper considers the limits of what medical technology should 
  41. eventually be able to achieve (based on the currently understood laws of 
  42. chemistry and physics) and the kinds of damage caused by current methods 
  43. of freezing.  It then considers whether methods of repairing the kinds 
  44. of damage caused by current suspension techniques are likely to be 
  45. achieved in the future.
  46.  
  47. INTRODUCTION
  48.  
  49. Tissue preserved in liquid nitrogen can survive centuries without 
  50. deterioration[ft.1].  This simple fact provides an imperfect time 
  51. machine that can transport us almost unchanged from the present to the 
  52. future:  we need merely freeze ourselves in liquid nitrogen.  If 
  53. freezing damage can someday be cured, then a form of time travel to the 
  54. era when the cure is available would be possible.  While unappealing to 
  55. the healthy this possibility is more attractive to the terminally ill, 
  56. whose options are somewhat limited.   Far from being idle speculation, 
  57. this option is in fact available to anyone who so chooses.  First 
  58. seriously proposed in the 1960's by Ettinger[80] there are now three 
  59. organizations in the U.S. that provide cryonic suspension services.
  60.  
  61. Perhaps the most important question in evaluating this option is its 
  62. technical feasibility:  will it work?
  63.  
  64. Given the remarkable progress of science during the past few centuries, 
  65. it is difficult to dismiss cryonics out of hand.  The structure of DNA 
  66. was unknown prior to 1953;  the chemical (rather than "vitalistic") 
  67. nature of living beings was not appreciated until early in the 20th 
  68. century; it was not until 1864 that spontaneous generation was put to 
  69. rest by Louis Pasteur, who demonstrated that no organisms emerged from 
  70. heat-sterilized growth medium kept in sealed flasks; and Sir Isaac 
  71. Newton's Principia established the laws of motion in 1687, just over 300 
  72. years ago.  If progress of the same magnitude occurs in the next few 
  73. centuries, then it becomes difficult to argue that the repair of frozen 
  74. tissue is inherently and forever infeasible.
  75.  
  76. Hesitation to dismiss cryonics is not a ringing endorsement and still 
  77. leaves the basic question in considerable doubt.  Perhaps a closer 
  78. consideration of how future technologies might be applied to the repair 
  79. of frozen tissue will let us draw stronger conclusions - in one 
  80. direction or the other.    Ultimately, cryonics will either (a) work or 
  81. (b) fail to work.  It would seem useful to know in advance which of 
  82. these two outcomes to expect.  If it can be ruled out as infeasible, 
  83. then we need not waste further time on it.  If it seems likely that it 
  84. will be technically feasible, then a number of nontechnical issues 
  85. should be addressed in order to obtain a good probability of overall 
  86. success.
  87.  
  88. The reader interested in a general introduction to cryonics is referred 
  89. to other sources[23, 24, 80].   Here, we focus on technical feasibility.
  90.  
  91. While many isolated tissues (and a few particularly hardy organs) have 
  92. been successfully cooled to the temperature of liquid nitrogen and 
  93. rewarmed[59], further successes have proven elusive.   While there is no 
  94. particular reason to believe that a cure for freezing damage would 
  95. violate any laws of physics (or is otherwise obviously infeasible),  it 
  96. is likely that the damage done by freezing is beyond the self-repair and 
  97. recovery capabilities of the tissue itself.  This does not imply that 
  98. the damage cannot be repaired, only that significant elements of the 
  99. repair process would have to be provided from an external source.   In 
  100. deciding whether such externally provided repair will (or will not) 
  101. eventually prove feasible, we must keep in mind that such repair 
  102. techniques can quite literally take advantage of scientific advances 
  103. made during the next few centuries.  Forecasting the capabilities of 
  104. future technologies is therefore an integral component of determining 
  105. the feasibility of cryonics.  Such a forecast should, in principle, be 
  106. feasible.  The laws of physics and chemistry as they apply to biological 
  107. structures are well understood and well defined.  Whether the repair of 
  108. frozen tissue will (or will not) eventually prove feasible within the 
  109. framework defined by those laws is a question which we should be able to 
  110. answer based on what is known today.
  111.  
  112. Current research (outlined below) supports the idea that we will 
  113. eventually be able to examine and manipulate structures molecule by 
  114. molecule and even atom by atom.  Such a technical capability has very 
  115. clear implications for the kinds of damage that can (and cannot) be 
  116. repaired.  The most powerful repair capabilities that should eventually 
  117. be possible can be defined with remarkable clarity.  The question we 
  118. wish to answer is conceptually straightforwards:  will the most powerful 
  119. repair capability that is likely to be developed in the long run 
  120. (perhaps over several centuries) be adequate to repair tissue that is 
  121. frozen using the best available current methods?[ft. 2]
  122.  
  123. The general purpose ability to manipulate structures with atomic 
  124. precision and low cost is often called nanotechnology (other terms, such 
  125. as molecular engineering, molecular manufacturing, molecular 
  126. nanotechnology, etc. are also often applied).  There is widespread 
  127. belief that such a capability will eventually be developed [1, 2, 3, 4, 
  128. 7, 8, 10, 19, 41, 47, 49, 83, 84, 85, 106] though exactly how long it 
  129. will take is unclear.  The long storage times possible with cryonic 
  130. suspension make the precise development time of such technologies 
  131. noncritical.  Development any time during the next few centuries would 
  132. be sufficient to save the lives of those suspended with current 
  133. technology.
  134.  
  135. In this paper, we give a brief introduction to nanotechnology and then 
  136. clarify the technical issues involved in applying it in the conceptually 
  137. simplest and most powerful fashion to the repair of frozen tissue.
  138.  
  139.  
  140.  
  141. NANOTECHNOLOGY
  142.  
  143. Broadly speaking, the central thesis of nanotechnology is that almost 
  144. any chemically stable structure that can be specified can in fact be 
  145. built.  This possibility was first advanced by Richard Feynman in 1959 
  146. [4] when he said: "The principles of physics, as far as I can see, do 
  147. not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom."  
  148. (Feynman won the 1965 Nobel prize in physics).
  149.  
  150. This concept is receiving increasing attention in the research 
  151. community.  There have been two international conferences directly on 
  152. molecular nanotechnology[83,84] as well as a broad range of conferences 
  153. on related subjects.  Science [47, page 26] said "The ability to design 
  154. and manufacture devices that are only tens or hundreds of atoms across 
  155. promises rich rewards in electronics, catalysis, and materials.  The 
  156. scientific rewards should be just as great, as researchers approach an 
  157. ultimate level of control - assembling matter one atom at a time."   
  158. "Within the decade, [John] Foster [at IBM Almaden] or some other 
  159. scientist is likely to learn how to piece together atoms and molecules 
  160. one at a time using the STM [Scanning Tunnelling Microscope]."
  161.  
  162. Eigler and Schweizer[49] at IBM reported on "...the use of the STM at 
  163. low temperatures (4 K) to position individual xenon atoms on a single-
  164. crystal nickel surface with atomic precision.  This capacity has allowed 
  165. us to fabricate rudimentary structures of our own design, atom by atom.  
  166. The processes we describe are in principle applicable to molecules also.  
  167. In view of the device-like characteristics reported for single atoms on 
  168. surfaces [omitted references], the possibilities for perhaps the 
  169. ultimate in device miniaturization are evident."
  170.  
  171. J. A. Armstrong, IBM Chief Scientist and Vice President for Science and 
  172. Technology[106] said
  173.  
  174. I believe that nanoscience and nanotechnology will be central to 
  175. the next epoch of the information age, and will be as 
  176. revolutionary as science and technology at the micron scale have 
  177. been since the early '70's....  Indeed, we will have the ability 
  178. to make electronic and mechanical devices atom-by-atom when that 
  179. is appropriate to the job at hand.
  180.  
  181. The New York Times said[107]:
  182.  
  183. Scientists are beginning to gain the ability to manipulate matter 
  184. by its most basic components - molecule by molecule and even atom 
  185. by atom.
  186.  
  187. That ability, while now very crude, might one day allow people to 
  188. build almost unimaginably small electronic circuits and machines, 
  189. producing, for example, a supercomputer invisible to the naked 
  190. eye.  Some futurists even imagine building tiny robots that could 
  191. travel through the body performing surgery on damaged cells.
  192.  
  193. Drexler[1,10,19,41,85] has proposed the assembler, a small device 
  194. resembling an industrial robot which would be capable of holding and 
  195. positioning reactive compounds in order to control the precise location 
  196. at which chemical reactions take place.  This general approach should 
  197. allow the construction of large atomically precise objects by a sequence 
  198. of precisely controlled chemical reactions.
  199.  
  200. The foundational technical discussion of nanotechnology has recently been 
  201. provided by Drexler[85].
  202.  
  203.      Ribosomes
  204.  
  205. The plausibility of this approach can be illustrated by the ribosome.   
  206. Ribosomes manufacture all the proteins used in all living things on this 
  207. planet.  A typical ribosome is relatively small (a few thousand cubic 
  208. nanometers) and is capable of building almost any protein by stringing 
  209. together amino acids (the building blocks of proteins) in a precise 
  210. linear sequence.  To do this, the ribosome has a means of grasping a 
  211. specific amino acid (more precisely, it has a means of selectively 
  212. grasping a specific transfer RNA, which in turn is chemically bonded by 
  213. a specific enzyme to a specific amino acid), of grasping the growing 
  214. polypeptide, and of causing the specific amino acid to react with and be 
  215. added to the end of the polypeptide[14].
  216.  
  217. The instructions that the ribosome follows in building a protein are 
  218. provided by mRNA (messenger RNA).   This is a polymer formed from the 
  219. four bases adenine, cytosine, guanine, and uracil.  A sequence of 
  220. several hundred to a few thousand such bases codes for a specific 
  221. protein.  The ribosome "reads" this "control tape" sequentially, and 
  222. acts on the directions it provides. 
  223.  
  224.      Assemblers
  225.  
  226. In an analogous fashion, an assembler will build an arbitrary molecular 
  227. structure following a sequence of instructions.  The assembler, however, 
  228. will provide three-dimensional positional and full orientational control 
  229. over the molecular component  (analogous to the individual amino acid) 
  230. being added to a growing complex molecular structure (analogous to the 
  231. growing polypeptide).  In addition, the assembler will be able to form 
  232. any one of several different kinds of chemical bonds, not just the 
  233. single kind (the peptide bond) that the ribosome makes.
  234.  
  235. Calculations indicate that an assembler need not inherently be very 
  236. large.   Enzymes "typically" weigh about 10^5 amu (atomic mass units[ft. 
  237. 3]), while the ribosome itself is about 3 x 10^6 amu[14].  The smallest 
  238. assembler might be a factor of ten or so larger than a ribosome.  
  239. Current design ideas for an assembler are somewhat larger than this:  
  240. cylindrical "arms" about 100 nanometers in length and 30 nanometers in 
  241. diameter, rotary joints to allow arbitrary positioning of the tip of the 
  242. arm, and a worst-case positional accuracy at the tip of perhaps 0.1 to 
  243. 0.2 nanometers, even in the presence of thermal noise[18].   Even a 
  244. solid block of diamond as large as such an arm weighs only sixteen 
  245. million amu, so we can safely conclude that a hollow arm of such 
  246. dimensions would weigh less.  Six such arms would weigh less than 10^8 
  247. amu.
  248.  
  249.      Molecular Computers
  250.  
  251. The assembler requires a detailed sequence of control signals, just as 
  252. the ribosome requires mRNA to control its actions.  Such detailed 
  253. control signals can be provided by a computer.  A feasible design for a 
  254. molecular computer has been presented by Drexler[2,19].  This design is 
  255. mechanical in nature, and is based on sliding rods that interact by 
  256. blocking or unblocking each other at "locks."[ft. 4]  This design has a 
  257. size of about 5 cubic nanometers per "lock" (roughly equivalent to a 
  258. single logic gate).  Quadrupling this size to 20 cubic nanometers (to 
  259. allow for power, interfaces, and the like) and assuming that we require 
  260. a minimum of 10^4 "locks" to provide minimal control results in a volume 
  261. of 2 x 10^5 cubic nanometers (.0002 cubic microns) for the computational 
  262. element.  This many gates is sufficient to build a simple 4-bit or 8-bit 
  263. general purpose computer.  For example, the 6502 8-bit microprocessor 
  264. can be implemented in about 10,000 gates, while an individual 1-bit 
  265. processor in the Connection Machine has about 3,000 gates.  Assuming 
  266. that each cubic nanometer is occupied by roughly 100 atoms of carbon, 
  267. this 2 x 10^5 cubic nanometer computer will have a mass of about 2 x 
  268. 10^8 amu.
  269.  
  270. An assembler might have a kilobyte of high speed (rod-logic based) RAM, 
  271. (similar to the amount of RAM used in a modern one-chip computer) and 
  272. 100 kilobytes of slower but more dense "tape" storage - this tape 
  273. storage would have a mass of 10^8 amu or less (roughly 10 atoms per bit 
  274. - see below).  Some additional mass will be used for communications 
  275. (sending and receiving signals from other computers) and power.  In 
  276. addition, there will probably be a "toolkit" of interchangable tips that 
  277. can be placed at the ends of the assembler's arms.  When everything is 
  278. added up a small assembler, with arms, computer, "toolkit," etc. should 
  279. weigh less than 10^9 amu.
  280.  
  281. Escherichia coli (a common bacterium) weigh about 10^12 amu[14, page 
  282. 123].  Thus, an assembler should be much larger than a ribosome, but 
  283. much smaller than a bacterium.
  284.  
  285.      Self Replicating Systems
  286.  
  287. It is also interesting to compare Drexler's architecture for an 
  288. assembler with the Von Neumann architecture for a self replicating 
  289. device.  Von Neumann's "universal constructing automaton"[45] had both a 
  290. universal Turing machine to control its functions and a "constructing 
  291. arm" to build the "secondary automaton."  The constructing arm can be 
  292. positioned in a two-dimensional plane, and the "head" at the end of the 
  293. constructing arm is used to build the desired structure.  While Von 
  294. Neumann's construction was theoretical (existing in a two dimensional 
  295. cellular automata world), it still embodied many of the critical 
  296. elements that now appear in the assembler.
  297.  
  298. Further work on self-replicating systems was done by NASA in 1980 in a 
  299. report that considered the feasibility of implementing a self-
  300. replicating lunar manufacturing facility with conventional 
  301. technology[48].  One of their conclusions was that "The theoretical 
  302. concept of machine duplication is well developed.  There are several 
  303. alternative strategies by which machine self-replication can be carried 
  304. out in a practical engineering setting."  They estimated it would 
  305. require 20 years to develop such a system.  While they were considering 
  306. the design of a macroscopic self-replicating system (the proposed "seed" 
  307. was 100 tons) many of the concepts and problems involved in such systems 
  308. are similar regardless of size.
  309.  
  310.      Positional Chemistry
  311.  
  312. Chemists have been remarkably successful at synthesizing a wide range of 
  313. compounds with atomic precision.  Their successes, however, are usually 
  314. small in size (with the notable exception of various polymers).  Thus, 
  315. we know that a wide range of atomically precise structures with perhaps 
  316. a few hundreds of atoms in them are quite feasible.  Larger atomically 
  317. precise structures with complex three-dimensional shapes can be viewed 
  318. as a connected sequence of small atomically precise structures.  While 
  319. chemists have the ability to precisely sculpt small collections of atoms 
  320. there is currently no ability to extend this capability in a general way 
  321. to structures of larger size.  An obvious structure of considerable 
  322. scientific and economic interest is the computer.  The ability to 
  323. manufacture a computer from atomically precise logic elements of 
  324. molecular size, and to position those logic elements into a three-
  325. dimensional volume with a highly precise and intricate interconnection 
  326. pattern would have revolutionary consequences for the computer industry.
  327.  
  328. A large atomically precise structure, however, can be viewed as simply a 
  329. collection of small atomically precise objects which are then linked 
  330. together.  To build a truly broad range of large atomically precise 
  331. objects requires the ability to create highly specific positionally 
  332. controlled bonds.  A variety of highly flexible synthetic techniques 
  333. have been considered in [85].  We shall describe two such methods here 
  334. to give the reader a feeling for the kind of methods that will 
  335. eventually be feasible.
  336.  
  337. We assume that positional control is available and that all reactions 
  338. take place in a hard vacuum.  The use of a hard vacuum allows highly 
  339. reactive intermediate structures to be used, e.g., a variety of radicals 
  340. with one or more dangling bonds.  Because the intermediates are in a 
  341. vacuum, and because their position is controlled (as opposed to 
  342. solutions, where the position and orientation of a molecule are largely 
  343. random), such radicals will not react with the wrong thing for the very 
  344. simple reason that they will not come into contact with the wrong thing.
  345.  
  346. Note that the requirement for hard vacuum can be met even when dealing 
  347. with biological structures by keeping the temperature sufficiently low.
  348.  
  349. Normal solution-based chemistry offers a smaller range of controlled 
  350. synthetic possibilities.  For example, highly reactive compounds in 
  351. solution will promptly react with the solution.  In addition, because 
  352. positional control is not provided, compounds randomly collide with 
  353. other compounds.  Any reactive compound will collide randomly and react 
  354. randomly with anything available.  Solution-based chemistry requires 
  355. extremely careful selection of compounds that are reactive enough to 
  356. participate in the desired reaction, but sufficiently non-reactive that 
  357. they do not accidentally participate in an undesired side reaction.  
  358. Synthesis under these conditions is somewhat like placing the parts of a 
  359. radio into a box, shaking, and pulling out an assembled radio.  The 
  360. ability of chemists to synthesize what they want under these conditions 
  361. is amazing.
  362.  
  363. Much of current solution-based chemical synthesis is devoted to 
  364. preventing unwanted reactions.  With assembler-based synthesis, such 
  365. prevention is a virtually free by-product of positional control.
  366.  
  367. To illustrate positional synthesis in vacuum somewhat more concretely, 
  368. let us suppose we wish to bond two compounds, A and B.  As a first step, 
  369. we could utilize positional control to selectively abstract a specific 
  370. hydrogen atom from compound A.  To do this, we would employ a radical 
  371. that had two spatially distinct regions:  one region would have a high 
  372. affinity for hydrogen while the other region could be built into a 
  373. larger "tip" structure that would be subject to positional control.  A 
  374. simple example would be the 1-propynyl radical, which consists of three 
  375. co-linear carbon atoms and three hydrogen atoms bonded to the sp3 carbon 
  376. at the "base" end.  The radical carbon at the radical end is triply 
  377. bonded to the middle carbon, which in turn is singly bonded to the base 
  378. carbon.   In a real abstraction tool, the base carbon would be bonded to 
  379. other carbon atoms in a larger diamondoid structure which provides 
  380. positional control, and the tip might be further stabilized by a 
  381. surrounding "collar" of unreactive atoms attached near the base that 
  382. would prevent lateral motions of the reactive tip.
  383.  
  384. The affinity of this structure for hydrogen is quite high.  Propyne (the 
  385. same structure but with a hydrogen atom bonded to the "radical" carbon) 
  386. has a hydrogen-carbon bond dissociation energy in the vicinity of 132 
  387. kilocalories per mole.  As a consequence, a hydrogen atom will prefer 
  388. being bonded to the 1-propynyl hydrogen abstraction tool in preference 
  389. to being bonded to almost any other structure.  By positioning the 
  390. hydrogen abstraction tool over a specific hydrogen atom on compound A, 
  391. we can perform a site specific hydrogen abstraction reaction.  This 
  392. requires positional accuracy of roughly a bond length (to prevent 
  393. abstraction of an adjacent hydrogen).  Quantum chemical analysis of this 
  394. reaction by Musgrave et. al.[108] show that the activation energy for 
  395. this reaction is low, and that for the abstraction of hydrogen from the 
  396. hydrogenated diamond (111) surface (modeled by isobutane) the barrier is 
  397. very likely zero.
  398.  
  399. Having once abstracted a specific hydrogen atom from compound A, we can 
  400. repeat the process for compound B.  We can now join compound A to 
  401. compound B by positioning the two compounds so that the two dangling 
  402. bonds are adjacent to each other, and allowing them to bond.
  403.  
  404. This illustrates a reaction using a single radical.  With positional 
  405. control, we could also use two radicals simultaneously to achieve a 
  406. specific objective.  Suppose, for example, that two atoms A1 and A2 
  407. which are part of some larger molecule are bonded to each other.  If we 
  408. were to position the two radicals X1 and X2 adjacent to A1 and A2, 
  409. respectively, then a bonding structure of much lower free energy would 
  410. be one in which the A1-A2 bond was broken, and two new bonds A1-X1 and 
  411. A2-X2 were formed.  Because this reaction involves breaking one bond and 
  412. making two bonds (i.e., the reaction product is not a radical and is 
  413. chemically stable) the exact nature of the radicals is not critical.  
  414. Breaking one bond to form two bonds is a favored reaction for a wide 
  415. range of cases.  Thus, the positional control of two radicals can be 
  416. used to break any of a wide range of bonds.
  417.  
  418. A range of other reactions involving a variety of reactive intermediate 
  419. compounds (carbenes are among the more interesting ones) are proposed in 
  420. [85], along with the results of semi-empirical and ab initio quantum 
  421. calculations and the available experimental evidence.
  422.  
  423. Another general principle that can be employed with positional synthesis 
  424. is the controlled use of force.  Activation energy, normally provided by 
  425. thermal energy in conventional chemistry, can also be provided by 
  426. mechanical means.  Pressures of 1.7 megabars have been achieved 
  427. experimentally in macroscopic systems[30].  At the molecular level such 
  428. pressure corresponds to forces that are a large fraction of the force 
  429. required to break a chemical bond.  A molecular vise made of hard 
  430. diamond-like material with a cavity designed with the same precision as 
  431. the reactive site of an enzyme can provide activation energy by the 
  432. extremely precise application of force, thus causing a highly specific 
  433. reaction between two compounds.
  434.  
  435. To achieve the low activation energy needed in reactions involving 
  436. radicals requires little force, allowing a wider range of reactions to 
  437. be caused by simpler devices (e.g., devices that are able to generate 
  438. only small force).  Further analysis is provided in [85].
  439.  
  440. Feynman said: "The problems of chemistry and biology can be greatly 
  441. helped if our ability to see what we are doing, and to do things on an 
  442. atomic level, is ultimately developed - a development which I think 
  443. cannot be avoided."   Drexler has provided the substantive analysis 
  444. required before this objective can be turned into a reality.  We are 
  445. nearing an era when we will be able to build virtually any structure 
  446. that is specified in atomic detail and which is consistent with the laws 
  447. of chemistry and physics.  This has substantial implications for future 
  448. medical technologies and capabilities.
  449.  
  450.      Repair Devices
  451.  
  452. A repair device is an assembler which is specialized for repair of 
  453. tissue in general, and frozen tissue in particular.  We assume that a 
  454. repair device has a mass of between 10^9 and 10^10 amu (e.g., we assume 
  455. that  a repair device might be as much as a factor of 10 more 
  456. complicated than a simple assembler).  This provides ample margin for 
  457. increasing the capabilities of the repair device if this should prove 
  458. necessary.
  459.  
  460. A single repair device of the kind described will not, by itself, have 
  461. sufficient memory to store the programs required to perform all the 
  462. repairs.  However, if it is connected to a network (in the same way that 
  463. current computers can be connected into a local area network) then a 
  464. single large "file server" can provide the needed information for all 
  465. the repair devices on the network.  The file server can be dedicated to 
  466. storing information: all the software and data that the repair devices 
  467. will need.  Almost the entire mass of the file server can be dedicated 
  468. to storage, it can service many repair devices, and can be many times 
  469. the size of one device without greatly increasing system size.  
  470. Combining these advantages implies the file server will have ample 
  471. storage to hold whatever programs might be required during the course of 
  472. repair.  In a similar fashion, if further computational resources are 
  473. required they can be provided by "large" compute servers located on the 
  474. network.
  475.  
  476.      Cost
  477.  
  478. One consequence of the existence of assemblers is that they are cheap.  
  479. Because an assembler can be programmed to build almost any structure, it 
  480. can in particular be programmed to build another assembler.  Thus, self 
  481. reproducing assemblers should be feasible and in consequence the 
  482. manufacturing costs of assemblers would be primarily the cost of the raw 
  483. materials and energy required in their construction.  Eventually (after 
  484. amortization of possibly quite high development costs), the price of 
  485. assemblers (and of the objects they build) should be no higher than the 
  486. price of other complex structures made by self-replicating systems.  
  487. Potatoes - which have a staggering design complexity involving tens of 
  488. thousands of different genes and different proteins directed by many 
  489. megabits of genetic information - cost well under a dollar per pound.
  490.  
  491.  
  492. DESCRIBING THE BRAIN AT THE MOLECULAR AND ATOMIC LEVEL
  493.  
  494. In principle we need only repair the frozen brain, for the brain is the 
  495. most critical and important structure in the body.  Faithfully repairing 
  496. the liver (or any other secondary tissue) molecule by molecule (or 
  497. perhaps atom by atom) appears to offer no benefit over simpler 
  498. techniques - such as replacement.   The calculations and discussions 
  499. that follow are therefore based on the size and composition of the 
  500. brain.   It should be clear that if repair of the brain is feasible, 
  501. then the methods employed could (if we wished) be extended in the 
  502. obvious way to the rest of the body.
  503.  
  504. The brain, like all the familiar matter in the world around us, is made 
  505. of atoms.  It is the spatial arrangement of these atoms that 
  506. distinguishes an arm from a leg, the head from the heart, and sickness 
  507. from health.  This view of the brain is the framework for our problem, 
  508. and it is within this framework that we must work.  Our problem, broadly 
  509. stated, is that the atoms in a frozen brain are in the wrong places.  We 
  510. must put them back where they belong (with perhaps some minor additions 
  511. and removals, as well as just rearrangements) if we expect to restore 
  512. the natural functions of this most wonderful organ.
  513.  
  514. In principle, the most that we could usefully know about the frozen 
  515. brain would be the coordinates of each and every atom in it (though 
  516. confer footnote 5).  This knowledge would put us in the best possible 
  517. position to determine where each and every atom should go.  This 
  518. knowledge, combined with a technology that allowed us to rearrange 
  519. atomic structure in virtually any fashion consistent with the laws of 
  520. chemistry and physics, would clearly let us restore the frozen structure 
  521. to a fully functional and healthy state.
  522.  
  523. In short, we must answer three questions:
  524.  
  525. 1.)     Where are the atoms?
  526. 2.)     Where should they go?
  527. 3.)     How do we move them from where they are to where they should be?
  528.  
  529. Regardless of the specific technical details involved, any method of 
  530. restoring a person in suspension must answer these three questions, if 
  531. only implicitly.  Current efforts to freeze and then thaw tissue (e.g., 
  532. experimental work aimed at freezing and then reviving sperm, kidneys, 
  533. etc) answer these three questions indirectly and implicitly.  
  534. Ultimately, technical advances should allow us to answer these questions 
  535. in a direct and explicit fashion.
  536.  
  537. Rather than directly consider these questions at once, we shall first 
  538. consider a simpler problem:  how would we go about describing the 
  539. position of every atom if somehow this information was known to us?  The 
  540. answer to this question will let us better understand the harder 
  541. questions.
  542.  
  543.      How Many Bits to Describe One Atom
  544.  
  545. Each atom has a location in three-space that we can represent with three 
  546. coordinates:  X, Y, and Z.  Atoms are usually a few tenths of a 
  547. nanometer apart.  If we could record the position of each atom to within 
  548. 0.01 nanometers, we would know its position accurately enough to know 
  549. what chemicals it was a part of, what bonds it had formed, and so on.  
  550. The brain is roughly .1 meters across, so .01 nanometers is about 1 part 
  551. in 10^10.  That is, we would have to know the position of the atom in 
  552. each coordinate to within one part in ten billion.  A number of this 
  553. size can be represented with about 33 bits.  There are three 
  554. coordinates, X, Y, and Z, each of which requires 33 bits to represent, 
  555. so the position of an atom can be represented in 99 bits.  An additional 
  556. few bits are needed to store the type of the atom (whether hydrogen, 
  557. oxygen, carbon, etc.), bringing the total to slightly over 100 bits[ft. 
  558. 5].
  559.  
  560. Thus, if we could store 100 bits of information for every atom in the 
  561. brain, we could fully describe its structure in as exacting and precise 
  562. a manner as we could possibly need.  A memory device of this capacity 
  563. should be quite literally possible.  To quote Feynman[4]: "Suppose, to 
  564. be conservative, that a bit of information is going to require a little 
  565. cube of atoms 5 x 5 x 5 - that is 125 atoms."  This is indeed 
  566. conservative.  Single stranded DNA already stores a single bit in about 
  567. 16 atoms (excluding the water that it's in).  It seems likely we can 
  568. reduce this to only a few atoms[1].  The work at IBM[49] suggests a 
  569. rather obvious way in which the presence or absence of a single atom 
  570. could be used to encode a single bit of information (although some sort 
  571. of structure for the atom to rest upon and some method of sensing the 
  572. presence or absence of the atom will still be required, so we would 
  573. actually need more than one atom per bit in this case).   If we 
  574. conservatively assume that the laws of chemistry inherently require 10 
  575. atoms to store a single bit of information, we still find that the 100 
  576. bits required to describe a single atom in the brain can be represented 
  577. by about 1,000 atoms.  Put another way, the location of every atom in a 
  578. frozen structure is (in a sense) already encoded in that structure in an 
  579. analog format. If we convert from this analog encoding to a digital 
  580. encoding, we will increase the space required to store the same amount 
  581. of information.  That is, an atom in three-space encodes its own 
  582. position in the analog value of its three spatial coordinates.  If we 
  583. convert this spatial information from its analog format to a digital 
  584. format, we inflate the number of atoms we need by perhaps as much as 
  585. 1,000.  If we digitally encoded the location of every atom in the brain, 
  586. we would need 1,000 times as many atoms to hold this encoded data as 
  587. there are atoms in the brain.  This means we would require roughly 1,000 
  588. times the volume.  The brain is somewhat over one cubic decimeter, so it 
  589. would require somewhat over one cubic meter of material to encode the 
  590. location of each and every atom in the brain in a digital format 
  591. suitable for examination and modification by a computer.
  592.  
  593. While this much memory is remarkable by today's standards, its 
  594. construction clearly does not violate any laws of physics or chemistry.  
  595. That is, it should literally be possible to store a digital description 
  596. of each and every atom in the brain in a memory device that we will 
  597. eventually be able to build.
  598.  
  599.      How Many Bits to Describe a Molecule
  600.  
  601. While such a feat is remarkable, it is also much more than we need.  
  602. Chemists usually think of atoms in groups - called molecules.  For 
  603. example, water is a molecule made of three atoms:  an oxygen and two 
  604. hydrogens.  If we describe each atom separately, we will require 100 
  605. bits per atom, or 300 bits total.  If, however, we give the position of 
  606. the oxygen atom and give the orientation of the molecule, we need:  99 
  607. bits for the location of the oxygen atom + 20 bits to describe the type 
  608. of molecule ("water", in this case) and perhaps another 30 bits to give 
  609. the orientation of the water molecule (10 bits for each of the three 
  610. rotational axes).   This means we can store the description of a water 
  611. molecule in only 150 bits, instead of the 300 bits required to describe 
  612. the three atoms separately.  (The 20 bits used to describe the type of 
  613. the molecule can describe up to 1,000,000 different molecules - many 
  614. more than are present in the brain).
  615.  
  616. As the molecule we are describing gets larger and larger, the savings in 
  617. storage gets bigger and bigger.  A whole protein molecule will still 
  618. require only 150 bits to describe, even though it is made of thousands 
  619. of atoms.  The canonical position of every atom in the molecule is 
  620. specified once the type of the molecule (which occupies a mere 20 bits) 
  621. is given.  A large molecule might adopt many configurations, so it might 
  622. at first seem that we'd require many more bits to describe it.  However, 
  623. biological macromolecules typically assume one favored configuration 
  624. rather than a random configuration, and it is this favored configuration 
  625. that we will describe[ft. 6].
  626.  
  627. We can do even better:  the molecules in the brain are packed in next to 
  628. each other.  Having once described the position of one, we can describe 
  629. the position of the next molecule as being such-and-such a distance from 
  630. the first.  If we assume that two adjacent molecules are within 10 
  631. nanometers of each other (a reasonable assumption) then we need only 
  632. store 10 bits of "delta X," 10 bits of "delta Y," and 10 bits of "delta 
  633. Z" rather than 33 bits of X, 33 bits of Y, and 33 bits of Z.  This means 
  634. our molecule can be described in only 10+10+10+20+30 or 80 bits.
  635.  
  636. We can compress this further by using various other clever strategems 
  637. (50 bits or less is quite achievable), but the essential point should be 
  638. clear.  We are interested in molecules, and describing a molecule takes 
  639. fewer bits than describing an atom.
  640.  
  641.      Do We Really Need to Describe Each Molecule?
  642.  
  643. A further point will be obvious to any biologist.  Describing the exact 
  644. position and orientation of a hemoglobin molecule within a red blood 
  645. cell is completely unnecessary.  Each hemoglobin molecule bounces around 
  646. within the red blood cell in a random fashion, and it really doesn't 
  647. matter exactly where it is, nor exactly which way it's pointing.  All we 
  648. need do is say, "It's in that red blood cell!"  So, too, for any other 
  649. molecule that is floating at random in a "cellular compartment:"  we 
  650. need only say which compartment it's in.  Many other molecules, even 
  651. though they do not diffuse freely within a cellular compartment, are 
  652. still able to diffuse fairly freely over a signficant range.  The 
  653. description of their position can be appropriately compressed.
  654.  
  655. While this reduces our storage requirements quite a bit, we could go 
  656. much further.  Instead of describing molecules, we could describe entire 
  657. sub-cellular organelles.  It seems excessive to describe a mitochondrion 
  658. by describing each and every molecule in it.  It would be sufficient 
  659. simply to note the location and perhaps the size of the mitochondrion, 
  660. for all mitochondria perform the same function: they produce energy for 
  661. the cell.  While there are indeed minor differences from mitochondrion 
  662. to mitochondrion, these differences don't matter much and could 
  663. reasonably be neglected.
  664.  
  665. We could go still further, and describe an entire cell with only a 
  666. general description of the function it performs: this nerve cell has 
  667. synapses of a certain type with that other cell, it has a certain shape, 
  668. and so on.  We might even describe groups of cells in terms of their 
  669. function: this group of cells in the retina performs a "center surround" 
  670. computation, while that group of cells performs edge enhancement.  
  671. Cherniak[115] said:  "On the usual assumption that the synapse is the 
  672. necessary substrate of memory, supposing very roughly that (given 
  673. anatomical and physiological 'noise') each synapse encodes about one 
  674. binary bit of information, and a thousand synapses per neuron are 
  675. available for this task: 10^10 cortical neurons x 10^3 synapses = 10^13 
  676. bits of arbitrary information (1.25 terabytes) that could be stored in 
  677. the cerebral cortex."
  678.  
  679.      How Many Bits Do We Really Need?
  680.  
  681. This kind of logic can be continued, but where does it stop?  What is 
  682. the most compact description which captures all the essential 
  683. information?  While many minor details of neural structure are 
  684. irrelevant, our memories clearly matter.  Any method of describing the 
  685. human brain which resulted in loss of long term memory has rather 
  686. clearly gone too far.  When we examine this quantitatively, we find that 
  687. preserving the information in our long term memory might require as 
  688. little as 10^9 bits (somewhat over 100 megabytes)[37].  We can say 
  689. rather confidently that it will take at least this much information to 
  690. adequately describe an individual brain.  The gap between this lower 
  691. bound and the molecule-by-molecule upper bound is rather large, and it 
  692. is not immediately obvious where in this range the true answer falls.  
  693. We shall not attempt to answer this question, but will instead 
  694. (conservatively) simply adopt the upper bound.
  695.  
  696.