Саморепликация — это любое поведение динамической системы , которое приводит к созданию идентичной или похожей копии самой себя. Биологические клетки , при наличии подходящей среды, размножаются путем деления клеток . Во время деления клеток ДНК реплицируется и может передаваться потомству во время размножения . Биологические вирусы могут реплицироваться , но только путем захвата репродуктивного аппарата клеток через процесс заражения. Вредные прионные белки могут реплицироваться, преобразуя нормальные белки в формы-изгои. [1] Компьютерные вирусы размножаются с использованием аппаратного и программного обеспечения, уже имеющегося на компьютерах. Саморепликация в робототехнике была областью исследований и предметом интереса в научной фантастике . Любой самореплицирующийся механизм, который не создает идеальную копию ( мутацию ), будет испытывать генетические изменения и будет создавать варианты самого себя. Эти варианты будут подвергаться естественному отбору , поскольку некоторые будут лучше выживать в своей текущей среде, чем другие, и будут вытеснять их.
Ранние исследования Джона фон Неймана [2] установили, что репликаторы состоят из нескольких частей:
Исключения из этого шаблона возможны, хотя почти все известные примеры придерживаются его. Ученые приблизились к созданию РНК, которая может копироваться в «среде», представляющей собой раствор мономеров РНК и транскриптазы, но такие системы точнее характеризовать как «вспомогательную репликацию», чем «саморепликацию». В 2021 году исследователям удалось построить систему с шестнадцатью специально разработанными последовательностями ДНК. Четыре из них могут быть связаны друг с другом (посредством спаривания оснований) в определенном порядке, следуя шаблону из четырех уже связанных последовательностей, изменяя температуру вверх и вниз. Таким образом, количество копий шаблона увеличивается в каждом цикле. Никакого внешнего агента, такого как фермент, не требуется, но система должна быть снабжена резервуаром из шестнадцати последовательностей ДНК. [3]
Самый простой возможный случай — это когда существует только геном. Без какой-либо спецификации шагов самовоспроизведения, система, состоящая только из генома, вероятно, лучше охарактеризовать как нечто вроде кристалла .
Саморепликация является фундаментальной особенностью жизни. Было высказано предположение, что саморепликация возникла в ходе эволюции жизни, когда молекула, похожая на двухцепочечный полинуклеотид (возможно, подобная РНК ), диссоциировала на одноцепочечные полинуклеотиды, и каждый из них действовал как шаблон для синтеза комплементарной цепи, производя две двухцепочечные копии. [4] В такой системе отдельные дуплексные репликаторы с различными нуклеотидными последовательностями могли конкурировать друг с другом за доступные ресурсы мононуклеотидов, тем самым инициируя естественный отбор для наиболее «подходящих» последовательностей. [4] Репликация этих ранних форм жизни, вероятно, была крайне неточной, производя мутации, которые влияли на состояние сворачивания полинуклеотидов, тем самым влияя на склонности к ассоциации цепей (способствуя стабильности) и диссоциации (позволяя репликации генома). Эволюция порядка в живых системах была предложена в качестве примера фундаментального принципа генерации порядка, который также применим к физическим системам. [5]
Недавние исследования [6] начали классифицировать репликаторы, часто на основе объема требуемой им поддержки.
Пространство дизайна для репликаторов машин очень широко. Всестороннее исследование [7] на сегодняшний день Роберта Фрейтаса и Ральфа Меркла выявило 137 измерений дизайна, сгруппированных в дюжину отдельных категорий, включая: (1) Управление репликацией, (2) Информация репликации, (3) Субстрат репликации, (4) Структура репликатора, (5) Пассивные части, (6) Активные субъединицы, (7) Энергетика репликатора, (8) Кинематика репликатора, (9) Процесс репликации, (10) Производительность репликатора, (11) Структура продукта и (12) Способность к развитию.
В информатике квайн — это самовоспроизводящаяся компьютерная программа, которая при запуске выводит свой собственный код. Например, квайн в языке программирования Python — это:
a='a=%r;print(a%%a)';print(a%a)Более тривиальный подход — написать программу, которая будет делать копию любого потока данных, на который она направлена, а затем направлять ее на себя. В этом случае программа рассматривается и как исполняемый код, и как данные для манипулирования. Этот подход распространен в большинстве самовоспроизводящихся систем, включая биологическую жизнь, и он проще, поскольку не требует, чтобы программа содержала полное описание самой себя.
Во многих языках программирования пустая программа является допустимой и выполняется без ошибок или другого вывода. Таким образом, вывод совпадает с исходным кодом, поэтому программа тривиально самовоспроизводится.
В геометрии самовоспроизводящаяся плитка — это узор плитки, в котором несколько конгруэнтных плиток могут быть соединены вместе, чтобы сформировать большую плитку, похожую на оригинал. Это аспект области изучения, известной как тесселяция . Шестиугольник « сфинкс » — единственный известный самовоспроизводящийся пятиугольник . [8] Например, четыре таких вогнутых пятиугольника могут быть соединены вместе, чтобы получить один с удвоенными размерами. [9] Соломон В. Голомб ввел термин «реплицирующиеся плитки» для самовоспроизводящихся плиток.
В 2012 году Ли Саллоуз определил rep-плитки как особый случай самоукладывающегося набора плиток или setiset. Setiset порядка n — это набор из n фигур, которые могут быть собраны n различными способами, чтобы сформировать более крупные копии самих себя. Setiset, в которых каждая фигура различима, называются «идеальными». Rep -n rep-плитка — это просто setiset, состоящий из n одинаковых частей.
Одна из форм естественной саморепликации, которая не основана на ДНК или РНК, встречается в кристаллах глины . [10] Глина состоит из большого количества мелких кристаллов, а глина является средой, способствующей росту кристаллов. Кристаллы состоят из регулярной решетки атомов и способны расти, если, например, их поместить в водный раствор, содержащий компоненты кристалла; автоматически упорядочивая атомы на границе кристалла в кристаллическую форму. Кристаллы могут иметь неровности, где нарушается регулярная атомная структура, и когда кристаллы растут, эти неровности могут распространяться, создавая форму саморепликации неровностей кристалла. Поскольку эти неровности могут влиять на вероятность распада кристалла для образования новых кристаллов, кристаллы с такими неровностями можно даже считать претерпевающими эволюционное развитие.
Долгосрочной целью некоторых инженерных наук является достижение лязгающего репликатора , материального устройства, которое может самовоспроизводиться. Обычной причиной является достижение низкой стоимости за единицу при сохранении полезности произведенного товара. Многие авторитеты говорят, что в пределе стоимость самовоспроизводящихся предметов должна приближаться к стоимости за единицу веса древесины или других биологических веществ, поскольку самовоспроизводство позволяет избежать затрат на рабочую силу , капитал и распределение в обычных произведенных товарах .
Полностью новый искусственный репликатор — разумная ближайшая цель. Недавно исследование NASA определило сложность лязгающего репликатора примерно на уровне сложности процессора Intel Pentium 4. [11] То есть, технология достижима относительно небольшой инженерной группой в разумные коммерческие сроки и по разумной цене.
Учитывая нынешний повышенный интерес к биотехнологии и высокий уровень финансирования в этой области, попытки использовать репликативную способность существующих клеток являются своевременными и могут легко привести к значительным открытиям и достижениям.
Разновидность саморепликации имеет практическое значение в построении компиляторов , где возникает проблема самонастройки , аналогичная проблеме естественной саморепликации. Компилятор ( фенотип ) может быть применен к собственному исходному коду компилятора ( генотипу ), создавая сам компилятор. Во время разработки компилятора измененный ( мутировавший ) исходный код используется для создания следующего поколения компилятора. Этот процесс отличается от естественной саморепликации тем, что процесс направляется инженером, а не самим субъектом.
Деятельность в области робототехники — это самовоспроизведение машин. Поскольку все роботы (по крайней мере, в наше время) обладают изрядным количеством одинаковых функций, самовоспроизводящемуся роботу (или, возможно, рою роботов) необходимо будет сделать следующее:
В наномасштабе ассемблеры также могут быть спроектированы для самовоспроизведения с помощью собственной энергии. Это, в свою очередь, привело к появлению версии Армагеддона « серой слизи » , представленной в научно-фантастических романах «Блум» и « Добыча» .
Институт Форсайта опубликовал руководящие принципы для исследователей в области механической саморепликации. [12] В руководящих принципах рекомендуется, чтобы исследователи использовали несколько конкретных методов для предотвращения выхода механических репликаторов из-под контроля, например, использование архитектуры вещания.
Подробную статью о механическом воспроизводстве в контексте индустриальной эпохи см. в статье « Массовое производство» .
Исследования проводились в следующих областях:
Целью саморепликации в космических системах является использование больших объемов материи с малой стартовой массой. Например, автотрофная самореплицирующаяся машина могла бы покрыть луну или планету солнечными батареями и передавать энергию на Землю с помощью микроволн. Оказавшись на месте, та же самая машина, которая сама себя построила, могла бы также производить сырье или готовые изделия, включая транспортные системы для доставки продукции. Другая модель самореплицирующейся машины копировала бы себя через галактику и вселенную, отправляя информацию обратно.
В целом, поскольку эти системы являются автотрофными, они являются наиболее сложными и сложными из известных репликаторов. Они также считаются наиболее опасными, поскольку не требуют никакого участия человека для воспроизводства.
Классическим теоретическим исследованием репликаторов в космосе является исследование НАСА 1980 года автотрофных лязгающих репликаторов под редакцией Роберта Фрейтаса . [15]
Большая часть исследования дизайна была посвящена простой, гибкой химической системе для обработки лунного реголита и различиям между соотношением элементов, необходимых репликатору, и соотношениями, доступными в реголите. Ограничивающим элементом был хлор , необходимый элемент для обработки реголита для получения алюминия . Хлор очень редок в лунном реголите, и существенно более высокая скорость воспроизводства может быть обеспечена путем импорта скромных количеств.
В эталонном проекте были указаны небольшие управляемые компьютером электрические тележки, движущиеся по рельсам. Каждая тележка могла иметь простую руку или небольшой бульдозерный ковш, образуя базовый робот .
Энергия будет поставляться «навесом» из солнечных батарей, поддерживаемых столбами. Другие машины могут работать под навесом.
« Литьевой робот » будет использовать роботизированную руку с несколькими инструментами для лепки, чтобы делать гипсовые формы . Гипсовые формы легко изготавливать, и они позволяют делать точные детали с хорошей отделкой поверхности. Затем робот будет отливать большую часть деталей либо из непроводящей расплавленной породы ( базальт ), либо из очищенных металлов. Электрическая печь расплавит материалы.
Была разработана гипотеза о том, что для производства компьютеров и электронных систем будет создана более сложная «фабрика по производству микросхем», однако проектировщики также заявили, что было бы практично доставлять микросхемы с Земли, как если бы они были «витаминами».
В частности, нанотехнологи полагают, что их работа , скорее всего, не достигнет стадии зрелости, пока люди не создадут самовоспроизводящийся ассемблер нанометровых размеров.[1]
Эти системы существенно проще автотрофных систем, поскольку они обеспечены очищенным сырьем и энергией. Им не нужно их воспроизводить. Это различие лежит в основе некоторых споров о том, возможно ли молекулярное производство или нет. Многие авторитеты, которые считают это невозможным, явно ссылаются на источники для сложных автотрофных самовоспроизводящихся систем. Многие из авторитетов, которые считают это возможным, явно ссылаются на источники для гораздо более простых самособирающихся систем, которые были продемонстрированы. Тем временем, построенный из Lego автономный робот, способный следовать по заранее заданному пути и собирать точную копию себя, начиная с четырех предоставленных извне компонентов, был экспериментально продемонстрирован в 2003 году.[2]
Простого использования репликативных способностей существующих клеток недостаточно из-за ограничений в процессе биосинтеза белка (см. также список для РНК ). Требуется рациональная разработка 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 имеет потенциал для создания новых типов материалов. Они продемонстрировали, что возможно реплицировать не только молекулы, такие как клеточная ДНК или РНК, но и дискретные структуры, которые в принципе могут принимать множество различных форм, иметь множество различных функциональных особенностей и быть связаны со множеством различных типов химических видов. [16] [17]
Обсуждение других химических основ гипотетических самовоспроизводящихся систем см. в разделе « Альтернативная биохимия» .
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)