Una química artificial [1] [2] [3]es un sistema de tipo químico que generalmente consta de objetos, llamados moléculas, que interactúan de acuerdo con reglas que se asemejan a las reglas de las reacciones químicas. Las químicas artificiales se crean y estudian para comprender las propiedades fundamentales de los sistemas químicos, incluida la evolución prebiótica, así como para desarrollar sistemas de computación química. La química artificial es un campo dentro de las ciencias de la computación en el que las reacciones químicas, a menudo bioquímicas, son simuladas por computadora, lo que proporciona información sobre la evolución, el autoensamblaje y otros fenómenos bioquímicos. El campo no utiliza productos químicos reales y no debe confundirse ni con la química sintética ni con la química computacional. Más bien, se utilizan bits de información para representar las moléculas iniciales y los productos finales se examinan junto con los procesos que condujeron a ellos. El campo se originó envida artificial, pero ha demostrado ser un método versátil con aplicaciones en muchos campos como la química , la economía , la sociología y la lingüística .
Definicion formal
Una química artificial se define en general como un triple (S, R, A). En algunos casos es suficiente definirlo como una tupla (S, I).
- S es el conjunto de posibles moléculas S = {s 1 ..., s n }, donde n es el número de elementos del conjunto, posiblemente infinito.
- R es un conjunto de operaciones n-arias sobre las moléculas en S, las reglas de reacción R = {r 1 ..., r n }. Cada regla r i se escribe como una reacción química a + b + c-> a * + b * + c *. Tenga en cuenta aquí que r i son operadores, a diferencia de +.
- A es un algoritmo que describe cómo aplicar las reglas R a un subconjunto PS.
- Soy las reglas de interacción de las moléculas en S.
Tipos de químicas artificiales
- dependiendo del espacio de posibles moléculas
- finito
- infinito
- dependiendo del tipo de reacciones
- sistemas catalíticos
- sistemas reactivos
- sistemas inhibidores
- dependiendo de la topología espacial
- reactor bien agitado
- dispuestos topológicamente (1, 2 y 3 dimensiones)
Conceptos importantes
- El campo depende en gran medida de las matemáticas, para incluir modelos matemáticos. De hecho, se basa más en una formación en matemáticas que en una formación en química.
- Organizaciones: Una organización es un conjunto de moléculas cerradas y autosuficientes. Como tal, es un conjunto que no crea nada fuera de sí mismo, y tal que cualquier molécula dentro del conjunto se puede generar dentro del conjunto.
- Conjuntos cerrados
- Conjuntos de autosuficiencia
- Diagrama de Hasse de organizaciones
Historia de la química artificial
La química artificial surgió como un subcampo de la vida artificial , en particular de la vida artificial fuerte . La idea detrás de este campo era que si uno quería construir algo vivo, tenía que hacerlo una combinación de entidades no vivientes. Por ejemplo, una célula está viva en sí misma y, sin embargo, es una combinación de moléculas no vivas. La química artificial recluta, entre otros, a investigadores que creen en un enfoque extremo de abajo hacia arriba de la vida artificial. En la vida artificial, se utilizaron fragmentos de información para representar bacterias o miembros de una especie, cada uno de los cuales se movió, se multiplicó o murió en simulaciones por computadora. En química artificial, se utilizan bits de información para representar moléculas iniciales capaces de reaccionar entre sí. El campo ha pertenecido a la inteligencia artificial en virtud del hecho de que, a lo largo de miles de millones de años, la materia no viviente evolucionó hacia formas de vida primordiales que, a su vez, evolucionaron hacia formas de vida inteligentes.
Contribuyentes importantes
La primera referencia sobre química artificial proviene de un artículo técnico escrito por John McCaskill . [4] Walter Fontana, trabajando con Leo Buss, se dedicó a desarrollar el modelo AlChemy [5] . [6] El modelo fue presentado en la segunda Conferencia Internacional de Vida Artificial. En sus primeros trabajos presentó el concepto de organización , como un conjunto de moléculas algebraicamente cerradas y autosuficientes. Este concepto fue desarrollado por Dittrich y Speroni di Fenizio en una teoría de las organizaciones químicas [7] . [8]
Dos escuelas principales de química artificial han estado en Japón y Alemania. En Japón los principales investigadores han sido Takashi Ikegami , [9] [10] Hideaki Suzuki [11] [12] y Yasuhiro Suzuki [13] . [14] En Alemania , fue Wolfgang Banzhaf , quien, junto con sus estudiantes Peter Dittrich y Jens Ziegler , desarrolló varios modelos de química artificial. Su artículo de 2001 'Artificial Chemistries - A Review' [3] se convirtió en un estándar en el campo. Jens Ziegler , como parte de su tesis doctoral, demostró que se podía utilizar una química artificial para controlar un pequeño robot Khepera. [15] Entre otros modelos, Peter Dittrich desarrolló el modelo Seceder que es capaz de explicar la formación de grupos en la sociedad a través de unas reglas sencillas. Desde entonces se convirtió en profesor en Jena, donde investiga la química artificial como una forma de definir una teoría general de los sistemas dinámicos constructivos .
Aplicaciones de las químicas artificiales
Las químicas artificiales se utilizan a menudo en el estudio de la protobiología, para tratar de cerrar la brecha entre la química y la biología . Otra motivación para estudiar la química artificial es el interés por los sistemas dinámicos constructivos. Yasuhiro Suzuki ha modelado varios sistemas, como sistemas de membranas, vías de señalización (P53), ecosistemas y sistemas enzimáticos mediante el uso de su método, sistema de reescritura abstracta en multisets (ARMS).
La química artificial en la cultura popular
En la novela de ciencia ficción de 1994 Permutation City de Greg Egan , humanos emulados con escaneo cerebral conocidos como Copies habitan un mundo simulado que incluye el Autoverse , un simulador de vida artificial basado en un complejo de autómatas celulares lo suficientemente complejo como para representar el sustrato de una química artificial. Pequeños entornos se simulan en Autoverse y se llenan de poblaciones de una forma de vida simple y diseñada, Autobacterium lamberti . El propósito del Autoverse es permitir que Copies explore la vida que había evolucionado allí después de haber sido ejecutada en un segmento significativamente grande del universo simulado (conocido como "Planeta Lambert").
Ver también
- Evolución digital de Avida
- Autómata celular
- Química computacional : el uso de modelos simplificados para simular interacciones químicas.
enlaces externos
- Sitio web de química artificial [1]
- Papers & Talks de Tim Hutton : incluye varios artículos sobre química artificial para la vida artificial
- el sitio web protobiology.org
Referencias
- ^ a b W. Banzhaf y L. Yamamoto. Química artificial , MIT Press, 2015.
- ^ P. Dittrich. Química artificial (AC) en AR Meyers (ed.), Computational Complexity: Theory, Techniques, and Applications, págs. 185-203, Springer, 2012.
- ^ a b P. Dittrich, J. Ziegler y W. Banzhaf. Químicas artificiales: una revisión . Vida artificial, 7 (3): 225-275, 2001.
- ^ JSMcCaskill. Química de polímeros en cinta: un modelo computacional para la genética emergente. Informe técnico, MPI de Química Biofísica, 1988.
- ^ W. Fontana. Química algorítmica. En CG Langton, C. Taylor, JD Farmer y S. Rasmussen, editores, Artificial Life II, páginas 159–210. Westview Press, 1991.
- ^ W. Fontana y L. Buss. “La llegada del más apto”: Hacia una teoría de la organización biológica. Boletín de Biología Matemática, 56 (1): 1–64, 1994.
- ^ P. Dittrich, P. Speroni di Fenizio. Teoría de la organización química . Boletín de Biología Matemática (2007) 69: 1199: 1231.
- ^ P. Speroni di Fenizio. Teoría de la organización química. Tesis de doctorado, Universidad Friedrich Schiller de Jena, 2007.
- ^ T. Ikegami y T. Hashimoto. Mutación activa en redes de máquinas y cintas que se reproducen a sí mismas. Vida artificial, 2 (3): 305–318, 1995.
- ^ T. Ikegami y T. Hashimoto. Replicación y diversidad en sistemas coevolutivos de cinta de máquina. En CG Langton y K. Shimohara, editores, Artificial Life V, páginas 426–433. Prensa del MIT, 1997.
- ^ H.Suzuki. Modelos para la conservación de información genética con química artificial basada en cuerdas. En W. Banzhaf, J. Ziegler, T. Christaller, P. Dittrich y JT Kim, editores, Advances in Artificial Life, volumen 2801 de Lecture Notes in Computer Science, páginas 78–88. Springer, 2003.
- ^ H. Suzuki. Célula de la red con agentes moleculares que se divide de las señales del centrosoma. Biosystems, 94 (1-2): 118-125, 2008.
- ^ Y. Suzuki, J. Takabayashi y H. Tanaka. Investigación de interacciones tritróficas en un ecosistema utilizando química abstracta. Vida artificial y robótica, 6 (3): 129-132, 2002.
- ^ Y. Suzuki y H. Tanaka. Modelado de vías de señalización de p53 mediante el uso de procesamiento multiset. En G. Ciobanu, G. Pa ̆un y MJ Pérez-Jiménez, editores, Applications of Membrane Computing, Natural Computing Series, páginas 203–214. Springer, 2006.
- ^ J.Ziegler y W.Banzhaf. Evolución de los metabolismos de control de un robot. ArtificialLife, 7 (2): 171-190, 2001.