Самовоспроизведение
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.
Обзор
[ редактировать ]Теория
[ редактировать ]Ранние исследования Джона фон Неймана [ 2 ] установили, что репликаторы состоят из нескольких частей:
- Закодированное представление репликатора
- Механизм копирования закодированного представления
- Механизм осуществления конструирования в среде хоста репликатора.
Возможны исключения из этой закономерности, хотя почти все известные примеры придерживаются ее. Ученые приблизились к созданию РНК, которую можно копировать в «среде», представляющей собой раствор мономеров РНК и транскриптазы, но такие системы точнее охарактеризовать как «вспомогательную репликацию», чем «самовоспроизведение». В 2021 году исследователям удалось создать систему из шестнадцати специально разработанных последовательностей ДНК. Четыре из них можно соединить вместе (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 ]
Простейший возможный случай — существует только геном. Без какого-либо уточнения этапов самовоспроизведения систему, состоящую только из генома, вероятно, лучше охарактеризовать как нечто вроде кристалла .
Происхождение жизни
[ редактировать ]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 действовал как матрица для синтеза комплементарной цепи, образуя две двухцепочечные копии. [ 4 ] В такой системе отдельные дуплексные репликаторы с разными нуклеотидными последовательностями могут конкурировать друг с другом за доступные ресурсы мононуклеотидов, тем самым инициируя естественный отбор наиболее «подходящих» последовательностей. [ 4 ] Репликация этих ранних форм жизни, вероятно, была очень неточной, приводя к мутациям, 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. [ 5 ]
Классы самовоспроизведения
[ редактировать ]Недавние исследования [ 6 ] начала классифицировать репликаторы, часто в зависимости от объема поддержки, которая им требуется.
- Природные репликаторы полностью или почти полностью созданы из нечеловеческих источников. К таким системам относятся естественные формы жизни.
- Автотрофные репликаторы могут воспроизводить себя «в дикой природе». Они добывают свои собственные материалы. Предполагается, что небиологические автотрофные репликаторы могут быть созданы людьми и могут легко соответствовать спецификациям продуктов человеческого производства.
- Самовоспроизводящиеся системы — это предполагаемые системы, которые будут создавать свои копии из промышленного сырья, такого как металлические стержни и проволока.
- Самособирающиеся системы собирают копии самих себя из готовых, доставленных частей. Простые примеры таких систем были продемонстрированы на макроуровне.
Возможности проектирования машинных репликаторов очень широки. Комплексное исследование [ 7 ] на сегодняшний день Роберт Фрейтас и Ральф Меркл определили 137 аспектов дизайна, сгруппированных в дюжину отдельных категорий, в том числе: (1) контроль репликации, (2) информация о репликации, (3) субстрат репликации, (4) структура репликатора, (5) пассивность Части, (6) Активные субъединицы, (7) Энергетика репликатора, (8) Кинематика репликатора, (9) Процесс репликации, (10) Производительность репликатора, (11) Структура продукта и (12) Возможность развития.
Самовоспроизводящаяся компьютерная программа
[ редактировать ]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.
Самовоспроизводящаяся плитка
[ редактировать ]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 . « Сфинкс » Гексамонд — единственный известный самовоспроизводящийся пятиугольник . [ 8 ] Например, четыре таких вогнутых пятиугольника можно соединить вместе, чтобы получился один, размер которого в два раза больше. [ 9 ] 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.
Самовоспроизводящиеся кристаллы глины
[ редактировать ]Одна из форм естественного самовоспроизведения, не основанная на ДНК или РНК, происходит в глины . кристаллах [ 10 ] 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, в которых регулярная атомная структура нарушена, 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.
Приложения
[ редактировать ]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 самовоспроизводство 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 Pentium процессора Intel 4 . [ 11 ] 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 компилятора ) может быть применен к собственному исходному коду ( 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.
Механическое самовоспроизведение
[ редактировать ]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:
- Получить строительные материалы
- Производство новых деталей, включая мельчайшие детали и мыслительный аппарат.
- Обеспечьте постоянный источник питания
- Программируйте новых участников
- Ошибка Исправляйте любые ошибки в потомстве
В наномасштабе также могут быть спроектированы так , ассемблеры чтобы 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. [ 12 ] В руководящих принципах рекомендуется 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» .
Поля
[ редактировать ]Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( Август 2017 г. ) |
Исследования проводились в следующих областях:
- Биология : исследования организменной и клеточной естественной репликации и репликаторов, а также их взаимодействия, включая такие субдисциплины, как популяционная динамика , ощущение кворума , пути аутофагии . Они могут стать важным руководством, позволяющим избежать трудностей при проектировании самовоспроизводящегося оборудования.
- Химия : исследования самовоспроизведения обычно посвящены тому, как определенный набор молекул может действовать вместе, воспроизводя друг друга в этом наборе. [ 13 ] (часто часть области системной химии ).
- Биохимия : были предприняты попытки создания простых систем in vitro . саморепликации рибосом [ 14 ] но по состоянию на январь 2021 года бессрочная in vitro саморепликация рибосом в лаборатории не достигнута.
- Нанотехнология или, точнее, молекулярная нанотехнология с созданием наномасштаба ассемблеров связана . Без самовоспроизведения капитальные затраты и затраты на сборку молекулярных машин станут невероятно большими. Многие восходящие подходы к нанотехнологиям используют преимущества биохимической или химической самосборки.
- Космические ресурсы: НАСА спонсировало ряд проектных исследований по разработке самовоспроизводящихся механизмов для добычи космических ресурсов. Большинство этих конструкций включают в себя машины с компьютерным управлением, которые копируют сами себя.
- Меметика : Идея мема была придумана Ричардом Докинзом в его книге 1976 года «Эгоистичный ген» , где он предложил когнитивный эквивалент гена; единица поведения, которая копируется из одного разума-хозяина в другой посредством наблюдения. Мемы могут распространяться только через поведение животных и, таким образом, аналогичны информационным вирусам и часто описываются как вирусные .
- Компьютерная безопасность . Многие проблемы компьютерной безопасности вызваны самовоспроизводящимися компьютерными программами, которые заражают компьютеры — компьютерными червями и компьютерными вирусами .
- Параллельные вычисления : загрузка новой программы на каждый узел большого компьютерного кластера или распределенной вычислительной системы занимает много времени. Использование мобильных агентов для самореплицирования кода от узла к узлу может сэкономить системному администратору много времени. Мобильные агенты могут привести к сбою компьютерного кластера при плохой реализации.
В промышленности
[ редактировать ]Исследование космоса и производство
[ редактировать ]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 . [ 15 ]
Большая часть исследования конструкции была связана с простой и гибкой химической системой для обработки лунного реголита , а также с различиями между соотношением элементов, необходимых репликатору, 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.
« для литья Робот » 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 разработчики также заявили, что может оказаться практичным доставлять чипы с Земли, как если бы они были «витаминами».
Молекулярное производство
[ редактировать ]Нанотехнологи скорее всего, не достигнет стадии зрелости, пока люди не создадут самовоспроизводящийся ассемблер нанометровых , в частности, полагают, что их работа , 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 по заранее заданному пути 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 множество различных форм, иметь множество различных функциональных особенностей и быть связаны со многими различными типами химических веществ. [ 16 ] [ 17 ]
Обсуждение других химических основ гипотетических самовоспроизводящихся систем см. в разделе « Альтернативная биохимия» .
См. также
[ редактировать ]- Абиогенез
- Искусственная жизнь
- Астрокурица
- Аутопоэзис
- Сложная система
- репликация ДНК
- меметика
- Жизнь
- Робот
- RepRap (самовоспроизводящийся 3D-принтер)
- Самовоспроизводящаяся машина
- Космическое производство
- Универсальный конструктор фон Неймана
- Вирус
- Машина фон Неймана (значения)
- Самостоятельно реконфигурируемый
Ссылки
[ редактировать ]- ^ « Безжизненные» прионные белки «способны к эволюции » . Новости Би-би-си . 01.01.2010 . Проверено 22 октября 2013 г.
- ^ фон Нейман, Джон (1948). Хиксонский симпозиум . Пасадена, Калифорния. стр. 1–36.
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Кюнляйн, Александра; Ланцмих, Саймон А.; Брун, Дитер (2 марта 2021 г.). «Последовательности тРНК могут собираться в репликатор» . электронная жизнь . 10 : е63431. doi : 10.7554/eLife.63431 . ПМЦ 7924937 . ПМИД 33648631 . Интерпретацию происхождения жизни см. Максимилиан, Людвиг (3 апреля 2021 г.). «Решение проблемы курицы и яйца – «на шаг ближе к реконструкции происхождения жизни» » . СайТехДейли . Проверено 3 апреля 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б ГенриКвастлер (1964) Возникновение биологической организации, издательство Йельского университета, Нью-Хейвен, Коннектикут ASIN: B0000CMHJ2
- ^ Бернштейн, Харрис; Байерли, Генри К.; Хопф, Фредерик А.; и др. (июнь 1983 г.). «Дарвиновская динамика». Ежеквартальный обзор биологии. 58 (2): 185–207. дои: 10.1086/413216. JSTOR 2828805. S2CID 83956410
- ^ Фрейтас, Роберт; Меркл, Ральф (2004). «Кинематические самовоспроизводящиеся машины — Общая систематика репликаторов» . Проверено 29 июня 2013 г.
- ^ Фрейтас, Роберт; Меркл, Ральф (2004). «Кинематические самовоспроизводящиеся машины - Карта Фрейтаса-Меркла пространства проектирования кинематических репликаторов (2003–2004)» . Проверено 29 июня 2013 г.
- ^ Изображение, на котором не показано, как это повторяется, см.: Эрик В. Вайсштейн. «Сфинкс». Из MathWorld — веб-ресурса Wolfram. http://mathworld.wolfram.com/Sphinx.html
- ^ Дополнительные иллюстрации см. в разделе « Обучение ТИЛИНГАМ / ТЕССЕЛЯЦИЯМ с помощью Geo Sphinx». Архивировано 8 марта 2016 г. на Wayback Machine.
- ^ «Идее о том, что жизнь началась с кристаллов глины, уже 50 лет» . bbc.com. 24 августа 2016 г. Архивировано из оригинала 24 августа 2016 г. Проверено 10 ноября 2019 г.
- ^ «Заключительный отчет о моделировании кинематических клеточных автоматов» (PDF) . 30 апреля 2004 г. Проверено 22 октября 2013 г.
- ^ «Руководство по молекулярной нанотехнологии» . Форсайт.org . Проверено 22 октября 2013 г.
- ^ Мулен, Джузеппоне (2011). «Динамические комбинаторные самовоспроизводящиеся системы». Конституциональная динамическая химия . Темы современной химии. Том. 322. Спрингер. стр. 87–105. дои : 10.1007/128_2011_198 . ISBN 978-3-642-28343-7 . ПМИД 21728135 .
- ^ Ли, Цзюнь; Хаас, Вильгельм; Джексон, Кирстен; Куру, Эркин; Джуэтт, Майкл С.; Фан, З. Хью; Джиджи, Стивен; Черч, Джордж М. (21 июля 2017 г.). «Когенерация синтетических деталей для создания самовоспроизводящейся системы» . ACS Синтетическая биология . 6 (7): 1327–1336. doi : 10.1021/acsynbio.6b00342 . ISSN 2161-5063 . ОСТИ 1348832 . ПМИД 28330337 .
- ^ Wikisource: Усовершенствованная автоматизация космических миссий
- ^ Ван, Тонг; Ша, Руоцзе; Дрейфус, Реми; Леуниссен, Мирьям Э.; Маасс, Коринна; Пайн, Дэвид Дж.; Чайкин, Пол М.; Симан, Надриан К. (2011). «Самовоспроизведение информационных наноразмерных структур» . Природа . 478 (7368): 225–228. Бибкод : 2011Natur.478..225W . дои : 10.1038/nature10500 . ПМК 3192504 . ПМИД 21993758 .
- ^ «Процесс самовоспроизведения обещает создание новых материалов» . Наука Дейли . 17 октября 2011 г. Проверено 17 октября 2011 г.
- Примечания
- фон Нейман, Дж., 1966, Теория самовоспроизводящихся автоматов , А. Беркс, изд., Univ. из Illinois Press, Урбана, Иллинойс.
- Передовая автоматизация космических миссий , исследование НАСА 1980 года под редакцией Роберта Фрейтаса.
- Кинематические самовоспроизводящиеся машины — первое комплексное исследование всего месторождения в 2004 году, проведенное Робертом Фрейтасом и Ральфом Мерклем.
- Исследование Института передовых концепций НАСА, проведенное General Dynamics , пришло к выводу, что сложность разработки равна сложности Pentium 4, и продвигало конструкцию, основанную на клеточных автоматах.
- Гёдель, Эшер, Бах Дугласа Хофштадтера (подробное обсуждение и множество примеров)
- Кеньон Р., Самовоспроизводящиеся мозаики , в: Символическая динамика и приложения (П. Уолтерс, редактор) Современная математика. том. 135 (1992), 239-264.