Självreplikering - Self-replication

Molekylär struktur av DNA

Självreplikering är varje beteende hos ett dynamiskt system som ger konstruktion av en identisk eller liknande kopia av sig själv. Biologiska celler , givet lämpliga miljöer, reproduceras genom celldelning . Under celldelning replikeras DNA och kan överföras till avkommor under reproduktion . Biologiska virus kan replikera , men bara genom att kommandera cellernas reproduktiva maskiner genom en infektionsprocess. Skadliga prionproteiner kan replikera genom att omvandla normala proteiner till oseriösa former. Datorvirus reproduceras med den hårdvara och programvara som redan finns på datorer. Självreplikering inom robotik har varit ett forskningsområde och ett ämne av intresse för science fiction . Varje självreplikerande mekanism som inte gör en perfekt kopia ( mutation ) kommer att uppleva genetisk variation och kommer att skapa varianter av sig själv. Dessa varianter kommer att bli föremål för naturligt urval , eftersom vissa kommer att vara bättre på att överleva i sin nuvarande miljö än andra och kommer att överraska dem.

Översikt

Teori

Tidig forskning av John von Neumann visade att replikatorer har flera delar:

• En kodad representation av replikatorn
• En mekanism för att kopiera den kodade representationen
• En mekanism för att åstadkomma konstruktion inom replikatorns värdmiljö

Undantag från detta mönster kan vara möjliga, även om inget ännu har uppnåtts. Till exempel har forskare kommit nära att konstruera RNA som kan kopieras i en "miljö" som är en lösning av RNA-monomerer och transkriptas. I det här fallet är kroppen genomet och de specialiserade kopieringsmekanismerna är externa. Kravet på en extern kopieringsmekanism har ännu inte övervunnits och sådana system karakteriseras mer exakt som "assisterad replikering" än "självreplikering". Ändå rapporterade forskare i mars 2021 bevis som tyder på att en preliminär form av överförings-RNA kan ha varit en replikatormolekyl i den mycket tidiga utvecklingen av livet eller abiogenes .

Det enklaste möjliga fallet är dock att det bara finns ett genom. Utan någon specifikation av de självreproduktionsstegen karakteriseras troligen ett genom-enda system bättre som något som en kristall .

Klasser av självreplikation

Ny forskning har börjat kategorisera replikatorer, ofta baserat på hur mycket stöd de behöver.

• Naturliga replikatorer har hela eller större delen av sin design från icke-mänskliga källor. Sådana system inkluderar naturliga livsformer.
• Autotrofa replikatorer kan reproducera sig själva "i naturen". De bryter sina egna material. Man antar att icke-biologiska autotrofa replikatorer kan utformas av människor och lätt kan acceptera specifikationer för mänskliga produkter.
• Självproduktionssystem är förmodade system som skulle producera kopior av sig själva från industriella råvaror som metallstång och tråd.
• Självmonterande system monterar kopior av sig själva från färdiga, levererade delar. Enkla exempel på sådana system har demonstrerats i makroskalan.

Designutrymmet för maskinreplikatorer är mycket brett. En omfattande studie hittills av Robert Freitas och Ralph Merkle har identifierat 137 designdimensioner grupperade i ett dussin separata kategorier, inklusive: (1) Replication Control, (2) Replication Information, (3) Replication Substrate, (4) Replicator Structure, ( 5) Passiva delar, (6) Aktiva subenheter, (7) Replikator Energetik, (8) Replikator Kinematik, (9) Replikeringsprocess, (10) Replikatorprestanda, (11) Produktstruktur och (12) Evolvabilitet.

Ett självreplikerande datorprogram

Inom datavetenskap är en kvin ett självreproduktionsprogram som, när det körs, matar ut sin egen kod. Till exempel är en kvin i programmeringsspråket Python :

a='a=%r;print(a%%a)';print(a%a)

Ett mer trivialt tillvägagångssätt är att skriva ett program som gör en kopia av alla dataströmmar som det riktas till, och sedan riktar det till sig själv. I det här fallet behandlas programmet som både körbar kod och som data som ska manipuleras. Detta tillvägagångssätt är vanligt i de flesta självreplicerande system, inklusive biologiskt liv, och är enklare eftersom det inte kräver att programmet innehåller en fullständig beskrivning av sig själv.

På många programmeringsspråk är ett tomt program lagligt och körs utan att producera fel eller annan utdata. Utgången är således densamma som källkoden, så programmet reproducerar sig trivialt.

Självreplikerande kakel

I geometri är en självreplikerande kakel ett kakelmönster där flera kongruenta kakel kan sammanfogas för att bilda en större kakel som liknar originalet. Detta är en aspekt av studieområdet som kallas tessellation . " Sfinx " hexiamond är den enda kända självreplikerande femkanten . Till exempel kan fyra sådana konkava pentagoner sammanfogas för att göra en med dubbla dimensionerna. Solomon W. Golomb myntade termen rep-brickor för självreplikerande tegelplattor.

Under 2012 identifierade Lee Sallows rep-brickor som en speciell instans av en självpanelplattor eller set- set. En uppsättning av ordning n är en uppsättning av n- former som kan monteras på n olika sätt för att bilda större repliker av sig själva. Set-set där varje form är distinkt kallas "perfekt". En repre- n rep-kakel är bara en setiset sammansatt av n identiska delar.

Fyra ' sfinx ' hexiamanter kan sättas ihop för att bilda en annan sfinx. En perfekt uppsättning av ordning 4

Självreplikerande lerkristaller

En form av naturlig självreplikation som inte är baserad på DNA eller RNA förekommer i lerkristaller. Lera består av ett stort antal små kristaller, och lera är en miljö som främjar kristalltillväxt. Kristaller består av ett vanligt gitter av atomer och kan växa om de t.ex. placeras i en vattenlösning som innehåller kristallkomponenterna; automatiskt anordna atomer vid kristallgränsen i kristallform. Kristaller kan ha oregelbundenheter där den vanliga atomstrukturen bryts, och när kristaller växer kan dessa oregelbundenheter föröka sig, vilket skapar en form av självreplikation av kristalljämnheter. Eftersom dessa oegentligheter kan påverka sannolikheten för att en kristall bryts sönder för att bilda nya kristaller, kan kristaller med sådana oegentligheter till och med betraktas som evolutionsutveckling.

Applikationer

Det är ett långsiktigt mål för vissa tekniska vetenskaper att uppnå en clanking replikator , en materiell enhet som kan självreplikera. Den vanliga anledningen är att uppnå en låg kostnad per artikel och samtidigt behålla nyttan av en tillverkad vara. Många myndigheter säger att i gränsen bör kostnaden för självreplikerande artiklar närma sig kostnaden per vikt för trä eller andra biologiska ämnen, eftersom självreplikering undviker kostnaderna för arbete , kapital och distribution i konventionella tillverkade varor .

En helt ny konstgjord replikator är ett rimligt mål på kort sikt. En NASA studie nyligen placerade komplexiteten i en skrammel replikator på ungefär det av Intel : s Pentium 4 CPU. Det vill säga tekniken kan uppnås med en relativt liten ingenjörsgrupp i en rimlig kommersiell tidsskala till en rimlig kostnad.

Med tanke på det för närvarande stora intresset för bioteknik och de höga finansieringsnivåerna inom det området är försök att utnyttja befintliga cellers replikeringsförmåga i rätt tid och kan lätt leda till betydande insikter och framsteg.

En variation av självreplikering är av praktisk relevans i kompilatorkonstruktionen , där ett liknande bootstrapping- problem uppstår som vid naturlig självreplikation. En kompilator ( fenotyp ) kan tillämpas på kompilatorns egen källkod ( genotyp ) som producerar kompilatorn själv. Under kompilatorutveckling används en modifierad ( muterad ) källa för att skapa nästa generation av kompilatorn. Denna process skiljer sig från naturlig självreplikation genom att processen styrs av en ingenjör, inte av ämnet själv.

Mekanisk självreplikation

En aktivitet inom robotar är självreplikering av maskiner. Eftersom alla robotar (åtminstone i modern tid) har ett stort antal av samma funktioner, skulle en självreplikerande robot (eller eventuellt en bikupa av robotar) behöva göra följande:

• Skaffa byggmaterial
• Tillverka nya delar inklusive dess minsta delar och tänkapparater
• Ge en konsekvent strömkälla
• Programmera de nya medlemmarna
• fel korrigera eventuella misstag hos avkomman

På en nano- skala kan monterare också vara utformade för att själva replikera under egen kraft. Detta har i sin tur gett upphov till " grå goo " -versionen av Armageddon , som presenteras i sådana science fiction-romaner som Bloom , Prey och Recursion .

Den Foresight Institute har publicerat riktlinjer för forskare inom mekanisk självrepliker. Riktlinjerna rekommenderar att forskare använder flera specifika tekniker för att förhindra att mekaniska replikatorer går ur kontroll, till exempel att använda en sändningsarkitektur .

För en detaljerad artikel om mekanisk reproduktion när det gäller industriell tid, se massproduktion .

Fält

Forskning har skett inom följande områden:

• Biologi : studier av organismell och cellulär naturlig replikering och replikatorer, och deras interaktion, inklusive underdiscipliner som populationsdynamik , kvorumavkänning , autofagvägar . Dessa kan vara en viktig guide för att undvika designproblem i självreplikerande maskiner.
• Kemi : självreplikationsstudier handlar vanligtvis om hur en specifik uppsättning molekyler kan fungera tillsammans för att replikera varandra inom uppsättningen (ofta en del av systemets kemifält ).
• Biokemi : enkla system för in vitro ribosomalt självrepliker har försökt, men från och med januari 2021, obegränsad in vitro ribosomala självrepliker har inte uppnåtts i labbet.
• Nanoteknologi eller mer exakt, molekylär nanoteknologi avser framställning nanoskala montörer . Utan självreplikering blir kapital- och monteringskostnaderna för molekylära maskiner omöjligt stora. Många bottom-up-metoder för nanoteknologi utnyttjar biokemisk eller kemisk självmontering.
• Rymdresurser: NASA har sponsrat ett antal designstudier för att utveckla självreplikerande mekanismer för att bryta rymdresurser. De flesta av dessa konstruktioner inkluderar datorstyrda maskiner som kopierar sig själva.
• Memetics : Idén om ett mem myntades av Richard Dawkins i sin bok från 1976 The Selfish Gene där han föreslog en kognitiv ekvivalent av genen; en beteendeenhet som kopieras från ett värdsinne till ett annat genom observation. Memes kan endast propagera via djurens beteende och är således analog med informations virus och beskrivs ofta som viral .
• Datorsäkerhet : Många datasäkerhetsproblem orsakas av självproducerande datorprogram som infekterar datorer - datormaskar och datavirus .
• Parallell beräkning : att ladda ett nytt program på varje nod i ett stort datakluster eller distribuerat datorsystem är tidskrävande. Att använda mobila agenter för att självreplikera kod från nod till nod kan spara systemadministratören mycket tid. Mobila agenter har potential att krascha ett datakluster om de är dåligt implementerade.

Inom industrin

Utforskning och tillverkning av rymden

Målet med självreplikering i rymdsystem är att utnyttja stora mängder materia med låg lanseringsmassa. Till exempel kan en autotrofisk självreplikerande maskin täcka en måne eller planet med solceller och stråla strömmen till jorden med hjälp av mikrovågor. En gång på plats kunde samma maskineri som byggde sig också producera råvaror eller tillverkade föremål, inklusive transportsystem för att skicka produkterna. En annan modell av självreplikerande maskin skulle kopiera sig genom galaxen och universum och skicka information tillbaka.

I allmänhet, eftersom dessa system är autotrofa, är de de svåraste och mest komplexa kända replikatorerna. De anses också vara de farligaste, eftersom de inte behöver någon input från människor för att reproducera sig.

En klassisk teoretisk studie av replikatorer i rymden är NASA- studien 1980 av autotrofiska clanking-replikatorer, redigerad av Robert Freitas .

Mycket av designstudien handlade om ett enkelt, flexibelt kemiskt system för bearbetning av månens regolit , och skillnaderna mellan förhållandet mellan element som behövs av replikatorn och förhållandena tillgängliga i regolit. Det begränsande elementet var klor , ett viktigt element för att bearbeta regolit för aluminium . Klor är mycket sällsynt i månregionen, och en betydligt snabbare reproduktionshastighet kan säkerställas genom att importera blygsamma mängder.

Referensdesignen specificerade små datorstyrda elvagnar som körs på skenor. Varje vagn kan ha en enkel hand eller en liten bull-dozer-spade som bildar en grundläggande robot .

Kraft skulle tillhandahållas av en "baldakin" av solceller som stöds på pelare. Det andra maskineriet kunde springa under taket.

A " casting robot " skulle använda en robotarm med några skulptera verktyg för att göra gipsformar . Gipsformar är enkla att göra och gör exakta delar med bra ytfinish. Roboten skulle sedan gjuta de flesta delarna antingen från icke-ledande smält sten ( basalt ) eller renade metaller. En elektrisk ugn smälte materialen.

En spekulativ, mer komplex "chipfabrik" specificerades för att producera datorer och elektroniska system, men konstruktörerna sa också att det kan visa sig praktiskt att skicka chipsen från jorden som om de vore "vitaminer".

Molekylär tillverkning

Nanoteknikerna i synnerhet tror att deras arbete kommer sannolikt att misslyckas med att nå ett tillstånd av förfall tills människan utforma en självrepliker assembler av nanometerdimensioner [1] .

Dessa system är väsentligt enklare än autotrofa system, eftersom de är försedda med renade råvaror och energi. De behöver inte reproducera dem. Denna skillnad är roten till en del av kontroversen om molekylär tillverkning är möjlig eller inte. Många myndigheter som finner det omöjligt citerar tydligt källor för komplexa autotrofiska självreplicerande system. Många av de myndigheter som tycker att det är möjligt citerar tydligt källor till mycket enklare självmonteringssystem som har visats. Under tiden demonstrerades en Lego- byggd autonom robot som kunde följa ett förinställt spår och montera en exakt kopia av sig själv, med start från fyra externt tillhandahållna komponenter 2003 [2] .

Att bara utnyttja befintliga cellernas replikativa förmåga är otillräckligt på grund av begränsningar i proteinbiosyntesprocessen (se även listan för RNA ). Vad som krävs är den rationella designen av en helt ny replikator med ett mycket bredare spektrum av syntesfunktioner.

Under 2011 har forskare från New York University utvecklat konstgjorda strukturer som kan replikera sig själv, en process som har potential att ge nya typer av material. De har visat att det är möjligt att replikera inte bara molekyler som cellulärt DNA eller RNA utan diskreta strukturer som i princip kan anta många olika former, har många olika funktionella egenskaper och associeras med många olika typer av kemiska arter.

För en diskussion om andra kemiska baser för hypotetiska självreplikerande system, se alternativ biokemi .

Se även

• Konstgjort liv
• Astrochicken
• Autopoiesis
• Komplext system
• DNA-replikation
• Liv
• Robot
• RepRap (självreplicerad 3D-skrivare)
• Självreplicerande maskin
  • Självreplicerande rymdfarkoster
• Rymdtillverkning
• Von Neumann universal konstruktör
• Virus
• Von Neumann-maskin (otydlig)
• Självkonfigurerbar
• Slutlig antropisk princip
• Positiv feedback
• Harmonisk

Referenser

Anteckningar