Самовоспроизведение — это любое поведение динамической системы , которое приводит к созданию идентичной или похожей копии самой себя. Биологические клетки в подходящей среде размножаются путем деления клеток . Во время деления клеток ДНК реплицируется и может передаваться потомству во время размножения . Биологические вирусы могут размножаться , но только путем управления репродуктивным механизмом клеток посредством процесса заражения. Вредные прионные белки могут размножаться, превращая нормальные белки в мошеннические формы. [1] Компьютерные вирусы размножаются с использованием аппаратного и программного обеспечения, уже установленного на компьютерах. Самовоспроизведение в робототехнике было областью исследований и предметом интереса в научной фантастике . Любой самовоспроизводящийся механизм, который не создает точную копию ( мутацию ), будет испытывать генетические вариации и создавать варианты самого себя. Эти варианты будут подвергаться естественному отбору , поскольку некоторые из них будут лучше выживать в текущей среде обитания, чем другие, и превосходят их.
Ранние исследования Джона фон Неймана [2] установили, что репликаторы состоят из нескольких частей:
Возможны исключения из этого правила, хотя ни одно из них еще не было достигнуто. Например, ученые приблизились к созданию РНК, которую можно копировать в «среде», представляющей собой раствор мономеров РНК и транскриптазы. В этом случае тело — это геном, а специализированные механизмы копирования — внешние. Требование внешнего механизма копирования еще не преодолено, и такие системы точнее охарактеризовать как «вспомогательную репликацию», чем «самовоспроизведение». Тем не менее, в марте 2021 года исследователи сообщили о доказательствах, свидетельствующих о том, что предварительной формой транспортной РНК могла быть сама молекула-репликатор на самых ранних стадиях развития жизни, или абиогенезе . [3] [4]
Однако самый простой возможный случай состоит в том, что существует только геном. Без какого-либо уточнения этапов самовоспроизведения систему, состоящую только из генома, вероятно, лучше охарактеризовать как нечто вроде кристалла .
Самовоспроизведение является фундаментальной особенностью жизни. Было высказано предположение, что саморепликация возникла в ходе эволюции жизни, когда молекула, подобная двухцепочечному полинуклеотиду (возможно, подобно РНК ), диссоциировала на одноцепочечные полинуклеотиды, и каждый из них служил матрицей для синтеза комплементарной цепи, образуя две двухцепочечные копии. [5] В такой системе отдельные дуплексные репликаторы с разными нуклеотидными последовательностями могут конкурировать друг с другом за доступные ресурсы мононуклеотидов, тем самым инициируя естественный отбор для наиболее «подходящих» последовательностей. [5] Репликация этих ранних форм жизни, вероятно, была очень неточной, вызывая мутации, которые влияли на состояние сворачивания полинуклеотидов, тем самым влияя на склонность к ассоциации цепей (способствуя стабильности) и диссоциации (обеспечивая репликацию генома). Эволюция порядка в живых системах была предложена как пример фундаментального принципа создания порядка, который также применим к физическим системам. [6]
Недавние исследования [7] начали классифицировать репликаторы, часто в зависимости от объема поддержки, которую они требуют.
Возможности проектирования машинных репликаторов очень широки. Всестороннее исследование [8] , проведенное на сегодняшний день Робертом Фрейтасом и Ральфом Мерклем , выявило 137 аспектов дизайна, сгруппированных в дюжину отдельных категорий, в том числе: (1) Контроль репликации, (2) Информация о репликации, (3) Субстрат репликации, (4) Репликатор Структура, (5) Пассивные части, (6) Активные субъединицы, (7) Энергетика репликатора, (8) Кинематика репликатора, (9) Процесс репликации, (10) Производительность репликатора, (11) Структура продукта и (12) Эволюция.
В информатике куайн — это самовоспроизводящаяся компьютерная программа, которая при запуске выводит собственный код . Например, куайн в языке программирования Python :
a='a=%r;print(a%%a)';print(a%a)Более тривиальный подход — написать программу, которая будет копировать любой поток данных, на который он направлен, а затем направлять его на себя. В этом случае программа рассматривается как исполняемый код и как данные, которыми можно манипулировать. Этот подход распространен в большинстве самовоспроизводящихся систем, включая биологическую жизнь, и более прост, поскольку не требует, чтобы программа содержала полное описание себя.
Во многих языках программирования пустая программа является законной и выполняется без ошибок или другого вывода. Таким образом, выходные данные совпадают с исходным кодом, поэтому программа тривиально самовоспроизводится.
В геометрии самовоспроизводящаяся плитка представляет собой рисунок плитки, в котором несколько конгруэнтных плиток могут быть соединены вместе, чтобы сформировать плитку большего размера, похожую на оригинал. Это аспект области исследования, известный как тесселяция . Гексамонд « Сфинкс » — единственный известный самовоспроизводящийся пятиугольник . [9] Например, четыре таких вогнутых пятиугольника можно соединить вместе, чтобы получился один, размер которого в два раза больше. [10] Соломон В. Голомб ввел термин «рептилии» для обозначения самовоспроизводящихся плиток.
В 2012 году Ли Саллоуз определил рептилированные плитки как особый случай набора самозакрывающихся плиток или набора. Набор порядка n — это набор из n фигур, которые можно собрать n различными способами, чтобы сформировать более крупные копии самих себя. Наборы, в которых каждая форма различна, называются «идеальными». Rep- n Rep-tile — это просто набор, состоящий из n одинаковых частей.
Одна из форм естественного самовоспроизведения, не основанная на ДНК или РНК, происходит в кристаллах глины . [11] Глина состоит из большого количества мелких кристаллов, а глина — это среда, способствующая росту кристаллов. Кристаллы состоят из регулярной решетки атомов и способны расти, если их поместить, например, в водный раствор, содержащий кристаллические компоненты; автоматическое расположение атомов на границе кристалла в кристаллическую форму. Кристаллы могут иметь неровности, при которых регулярная атомная структура нарушается, и когда кристаллы растут, эти неровности могут распространяться, создавая форму самовоспроизведения кристаллических неровностей. Поскольку эти неровности могут повлиять на вероятность распада кристалла с образованием новых кристаллов, можно даже считать, что кристаллы с такими неровностями подвергаются эволюционному развитию.
Долгосрочной целью некоторых инженерных наук является создание звенящего репликатора — материального устройства, способного самовоспроизводиться. Обычной причиной является достижение низкой себестоимости единицы товара при сохранении полезности произведенного товара. Многие авторитетные специалисты говорят, что в конечном итоге стоимость самовоспроизводящихся предметов должна приближаться к стоимости за вес древесины или других биологических веществ, поскольку самовоспроизведение позволяет избежать затрат на рабочую силу , капитал и распространение обычных промышленных товаров .
Полностью новый искусственный репликатор — разумная ближайшая цель. Недавно исследование НАСА показало, что сложность лязгающего репликатора примерно равна сложности процессора Intel Pentium 4 . [12] То есть технология достижима с помощью относительно небольшой инженерной группы в разумные коммерческие сроки и по разумной цене.
Учитывая нынешний большой интерес к биотехнологии и высокий уровень финансирования в этой области, попытки использовать репликационную способность существующих клеток являются своевременными и могут легко привести к значительным открытиям и достижениям.
Вариант саморепликации имеет практическое значение при создании компиляторов , где возникает та же проблема начальной загрузки , что и при естественной саморепликации. Компилятор ( фенотип ) может быть применен к собственному исходному коду компилятора ( генотипу ), создавая сам компилятор. Во время разработки компилятора модифицированный ( мутировавший ) исходный код используется для создания следующего поколения компилятора. Этот процесс отличается от естественного самовоспроизведения тем, что им управляет инженер, а не сам субъект.
Деятельность в области роботов – это самовоспроизведение машин. Поскольку все роботы (по крайней мере, в наше время) обладают изрядным количеством одинаковых функций, самовоспроизводящийся робот (или, возможно, группа роботов) должен будет делать следующее:
В наномасштабе ассемблеры также могут быть спроектированы так , чтобы они могли самовоспроизводиться собственными силами. Это, в свою очередь, привело к появлению « серой липкой » версии Армагеддона , показанной в научно-фантастических романах «Блум и жертва» .
Институт Форсайта опубликовал рекомендации для исследователей механического самовоспроизведения. [13] Рекомендации рекомендуют исследователям использовать несколько конкретных методов предотвращения выхода механических репликаторов из-под контроля, например, использование широковещательной архитектуры.
Подробную статью о механическом воспроизводстве применительно к индустриальной эпохе см. в разделе « Массовое производство» .
Исследования проводились в следующих областях:
Целью самовоспроизведения в космических системах является использование больших объемов материи при малой стартовой массе. Например, автотрофная самовоспроизводящаяся машина могла бы покрыть луну или планету солнечными батареями и передавать энергию на Землю с помощью микроволн. Будучи созданным, то же самое оборудование, которое построило само себя, могло бы также производить сырье или промышленные объекты, включая транспортные системы для доставки продукции. Другая модель самовоспроизводящейся машины будет копировать себя через галактику и вселенную, отправляя информацию обратно.
В целом, поскольку эти системы автотрофны, они являются наиболее сложными и сложными из известных репликаторов. Они также считаются наиболее опасными, поскольку для размножения им не требуется никакого участия человека.
Классическим теоретическим исследованием репликаторов в космосе является исследование НАСА автотрофных лязгающих репликаторов 1980 года под редакцией Роберта Фрейтаса . [16]
Большая часть исследования конструкции была связана с простой и гибкой химической системой для обработки лунного реголита , а также с различиями между соотношением элементов, необходимых для репликатора, и соотношениями, доступными в реголите. Лимитирующим элементом был хлор , необходимый элемент для переработки реголита на алюминий . Хлор очень редок в лунном реголите, и значительно более высокие темпы воспроизводства можно обеспечить, импортируя скромные количества.
В эталонном проекте были указаны небольшие электрические тележки с компьютерным управлением, движущиеся по рельсам. Каждая тележка могла иметь простую руку или небольшую бульдозерную лопату, образуя базового робота .
Электроэнергия будет обеспечиваться «навесом» из солнечных батарей , поддерживаемым на колоннах. Другая техника могла работать под навесом.
« Робот для литья » будет использовать роботизированную руку с несколькими инструментами для лепки для изготовления гипсовых форм . Гипсовые формы легко изготовить, из них можно получить точные детали с хорошей отделкой поверхности. Затем робот отливал большую часть деталей либо из непроводящей расплавленной породы ( базальта ), либо из очищенных металлов. Электрическая печь расплавила материалы.
Для производства компьютеров и электронных систем была выбрана умозрительная, более сложная «фабрика чипов», но проектировщики также заявили, что может оказаться практичным доставлять чипы с Земли, как если бы они были «витаминами».
Нанотехнологи, в частности , полагают, что их работа, скорее всего, не достигнет стадии зрелости, пока люди не создадут самовоспроизводящийся ассемблер нанометровых размеров.[1]
Эти системы существенно проще автотрофных, поскольку обеспечиваются очищенным сырьем и энергией. Им не обязательно их воспроизводить. Это различие лежит в основе некоторых споров о том, возможно ли молекулярное производство или нет. Многие авторитеты, считающие это невозможным, явно ссылаются на источники сложных автотрофных самовоспроизводящихся систем. Многие авторитеты, считающие это возможным, явно ссылаются на источники гораздо более простых самособирающихся систем, которые уже были продемонстрированы. Тем временем в 2003 году был экспериментально продемонстрирован автономный робот, построенный Lego , способный следовать заданному маршруту и собирать точную копию самого себя, начиная с четырех внешних компонентов.[2]
Простого использования репликативных способностей существующих клеток недостаточно из-за ограничений в процессе биосинтеза белка (см. также список РНК ). Что требуется, так это рациональная конструкция совершенно нового репликатора с гораздо более широким диапазоном возможностей синтеза.
В 2011 году ученые Нью-Йоркского университета разработали искусственные структуры, которые могут самовоспроизводиться — процесс, который потенциально может привести к созданию новых типов материалов. Они продемонстрировали, что можно реплицировать не только молекулы, такие как клеточная ДНК или РНК, но и дискретные структуры, которые в принципе могут принимать самые разные формы, иметь множество различных функциональных особенностей и быть связаны со многими различными типами химических веществ. [17] [18]
Обсуждение других химических основ гипотетических самовоспроизводящихся систем см. в разделе «Альтернативная биохимия» .
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)