La autorreplicación es cualquier comportamiento de un sistema dinámico que produce la construcción de una copia idéntica o similar de sí mismo. Las células biológicas , en entornos adecuados, se reproducen por división celular . Durante la división celular, el ADN se replica y puede transmitirse a la descendencia durante la reproducción . Los virus biológicos pueden replicarse , pero solo controlando la maquinaria reproductiva de las células a través de un proceso de infección. Las proteínas priónicas dañinas pueden replicarse convirtiendo las proteínas normales en formas rebeldes. [1] Virus informáticosreproducir utilizando el hardware y software ya presentes en las computadoras. La autorreplicación en robótica ha sido un área de investigación y un tema de interés en la ciencia ficción . Cualquier mecanismo de autorreplicación que no haga una copia perfecta ( mutación ) experimentará una variación genética y creará variantes de sí mismo. Estas variantes estarán sujetas a selección natural , ya que algunas sobrevivirán mejor en su entorno actual que otras y las superarán.
Las primeras investigaciones de John von Neumann [2] establecieron que los replicadores tienen varias partes:
Pueden ser posibles excepciones a este patrón, aunque aún no se ha logrado ninguna. Por ejemplo, los científicos se han acercado a la construcción de ARN que se puede copiar en un "entorno" que es una solución de monómeros de ARN y transcriptasa. En este caso, el cuerpo es el genoma y los mecanismos de copia especializados son externos. El requisito de un mecanismo de copia externo aún no se ha superado, y esos sistemas se caracterizan con mayor precisión como "replicación asistida" que como "autorreplicación". No obstante, en marzo de 2021, los investigadores informaron evidencia que sugería que una forma preliminar de ARN de transferencia podría haber sido una molécula replicadora en sí misma en el desarrollo temprano de la vida, o abiogénesis . [3] [4]
Sin embargo, el caso más simple posible es que solo existe un genoma. Sin alguna especificación de los pasos de autorreproducción, un sistema de solo genoma probablemente se caracterice mejor como algo así como un cristal .
Investigaciones recientes [5] han comenzado a clasificar a los replicadores, a menudo basándose en la cantidad de soporte que requieren.
El espacio de diseño para los replicadores de máquinas es muy amplio. Un estudio completo [6] realizado hasta la fecha por Robert Freitas y Ralph Merkle ha identificado 137 dimensiones de diseño agrupadas en una docena de categorías separadas, que incluyen: (1) Control de replicación, (2) Información de replicación, (3) Sustrato de replicación, (4) Replicador Estructura, (5) Partes pasivas, (6) Subunidades activas, (7) Energética del replicador, (8) Cinemática del replicador, (9) Proceso de replicación, (10) Rendimiento del replicador, (11) Estructura del producto y (12) Evolvabilidad.
En ciencias de la computación, un quine es un programa de computadora que se reproduce a sí mismo y que, cuando se ejecuta, genera su propio código. Por ejemplo, un quine en el lenguaje de programación Python es:
a='a=%r;print(a%%a)';print(a%a)
Un enfoque más trivial es escribir un programa que haga una copia de cualquier flujo de datos al que esté dirigido y luego lo dirija a sí mismo. En este caso, el programa se trata como código ejecutable y como datos para manipular. Este enfoque es común en la mayoría de los sistemas autorreplicantes, incluida la vida biológica, y es más simple ya que no requiere que el programa contenga una descripción completa de sí mismo.
En muchos lenguajes de programación, un programa vacío es legal y se ejecuta sin producir errores u otros resultados. La salida es, por tanto, la misma que la del código fuente, por lo que el programa se reproduce a sí mismo trivialmente.
En geometría, un mosaico autorreplicante es un patrón de mosaico en el que se pueden unir varios mosaicos congruentes para formar un mosaico más grande que es similar al original. Este es un aspecto del campo de estudio conocido como teselación . El hexiamante " esfinge " es el único pentágono autorreplicante conocido . [7] Por ejemplo, cuatro de estos pentágonos cóncavos se pueden unir para formar uno con el doble de dimensiones. [8] Solomon W. Golomb acuñó el término rep-tiles para los mosaicos autorreplicantes.
En 2012, Lee Sallows identificó rep-tiles como una instancia especial de un conjunto o conjunto de mosaicos auto-mosaico . Un conjunto de orden n es un conjunto de n formas que se pueden ensamblar de n formas diferentes para formar réplicas más grandes de sí mismas. Los decorados en los que cada forma es distinta se denominan "perfectos". Un rep- n rep-tile es simplemente un conjunto compuesto por n piezas idénticas.
Se pueden juntar cuatro hexiamantes " esfinge " para formar otra esfinge. Una perfecta setiset de orden 4 |
Una forma de autorreplicación natural que no se basa en ADN o ARN ocurre en los cristales de arcilla. [9]La arcilla está formada por una gran cantidad de pequeños cristales y la arcilla es un entorno que promueve el crecimiento de los cristales. Los cristales consisten en una red regular de átomos y pueden crecer si, por ejemplo, se colocan en una solución acuosa que contiene los componentes cristalinos; organizando automáticamente los átomos en el límite del cristal en la forma cristalina. Los cristales pueden tener irregularidades donde se rompe la estructura atómica regular, y cuando los cristales crecen, estas irregularidades pueden propagarse, creando una forma de autorreplicación de las irregularidades del cristal. Debido a que estas irregularidades pueden afectar la probabilidad de que un cristal se rompa para formar nuevos cristales, incluso se podría considerar que los cristales con tales irregularidades experimentan un desarrollo evolutivo.
Es un objetivo a largo plazo de algunas ciencias de la ingeniería lograr un replicador ruidoso , un dispositivo material que pueda auto-replicarse. La razón habitual es lograr un bajo costo por artículo conservando la utilidad de un bien manufacturado. Muchas autoridades dicen que en el límite, el costo de los artículos autorreplicables debería acercarse al costo por peso de la madera u otras sustancias biológicas, porque la autorreplicación evita los costos de mano de obra , capital y distribución en productos manufacturados convencionales .
Un replicador artificial completamente nuevo es un objetivo razonable a corto plazo. Un NASA estudio recientemente colocó la complejidad de un replicador de ruidos aproximadamente a la de Intel 's Pentium 4 CPU. [10] Es decir, la tecnología se puede lograr con un grupo de ingenieros relativamente pequeño en una escala de tiempo comercial razonable a un costo razonable.
Dado el gran interés actual en la biotecnología y los altos niveles de financiación en ese campo, los intentos de explotar la capacidad de replicación de las células existentes son oportunos y pueden conducir fácilmente a conocimientos y avances significativos.
Una variación de la autorreplicación es de relevancia práctica en la construcción de compiladores , donde se produce un problema de arranque similar al de la autorreplicación natural. Se puede aplicar un compilador ( fenotipo ) en el propio código fuente del compilador ( genotipo ) produciendo el propio compilador. Durante el desarrollo del compilador, se utiliza una fuente modificada ( mutada ) para crear la próxima generación del compilador. Este proceso se diferencia de la autorreplicación natural en que el proceso lo dirige un ingeniero, no el propio sujeto.
Una actividad en el campo de los robots es la autorreplicación de máquinas. Dado que todos los robots (al menos en los tiempos modernos) tienen un buen número de las mismas características, un robot autorreplicante (o posiblemente una colmena de robots) necesitaría hacer lo siguiente:
A nanoescala , los ensambladores también podrían diseñarse para autorreplicarse por sus propios medios. Esto, a su vez, ha dado lugar a la versión " grisácea " de Armageddon , como aparece en novelas de ciencia ficción como Bloom , Prey y Recursion .
El Foresight Institute ha publicado directrices para investigadores en autorreplicación mecánica. [11] Las directrices recomiendan que los investigadores utilicen varias técnicas específicas para evitar que los replicadores mecánicos se salgan de control, como el uso de una arquitectura de transmisión .
Para obtener un artículo detallado sobre la reproducción mecánica en lo que respecta a la era industrial, consulte producción en masa .
Esta sección necesita citas adicionales para su verificación . ( Agosto de 2017 ) |
Se han realizado investigaciones en las siguientes áreas:
El objetivo de la autorreplicación en los sistemas espaciales es explotar grandes cantidades de materia con una masa de lanzamiento baja. Por ejemplo, una máquina autótrofa autorreplicadora podría cubrir una luna o un planeta con células solares y transmitir la energía a la Tierra mediante microondas. Una vez en su lugar, la misma maquinaria que se construye también podría producir materias primas u objetos manufacturados, incluidos los sistemas de transporte para enviar los productos. Otro modelo de máquina autorreplicadora se copiaría a sí mismo a través de la galaxia y el universo, enviando información de regreso.
En general, dado que estos sistemas son autótrofos, son los replicadores conocidos más difíciles y complejos. También se cree que son los más peligrosos, porque no requieren ningún aporte de los seres humanos para reproducirse.
Un estudio teórico clásico de los replicadores en el espacio es el estudio de 1980 de la NASA sobre los replicadores autótrofos que hacen ruido, editado por Robert Freitas . [14]
Gran parte del estudio de diseño se centró en un sistema químico simple y flexible para procesar el regolito lunar y las diferencias entre la proporción de elementos que necesita el replicador y las proporciones disponibles en el regolito. El elemento limitante fue el cloro , un elemento esencial para procesar el regolito para el aluminio . El cloro es muy raro en el regolito lunar y se podría asegurar una tasa de reproducción sustancialmente más rápida importando cantidades modestas.
El diseño de referencia especificaba pequeños carros eléctricos controlados por computadora que se ejecutaban sobre rieles. Cada carro puede tener una mano simple o una pequeña pala topadora, formando un robot básico .
La energía sería proporcionada por un "dosel" de células solares apoyadas en pilares. La otra maquinaria podría funcionar debajo del dosel.
Un " robot de fundición " usaría un brazo robótico con algunas herramientas de escultura para hacer moldes de yeso . Los moldes de yeso son fáciles de hacer y hacen piezas precisas con buenos acabados superficiales. Luego, el robot fundiría la mayoría de las piezas a partir de roca fundida no conductora ( basalto ) o metales purificados. Un horno eléctrico fundió los materiales.
Se especificó una "fábrica de chips" especulativa y más compleja para producir los sistemas informáticos y electrónicos, pero los diseñadores también dijeron que podría resultar práctico enviar los chips desde la Tierra como si fueran "vitaminas".
Los nanotecnólogos, en particular, creen que su trabajo probablemente no alcanzará un estado de madurez hasta que los seres humanos diseñen un ensamblador autorreplicante de dimensiones nanométricas [1] .
Estos sistemas son sustancialmente más simples que los sistemas autótrofos, porque se les proporciona energía y materias primas purificadas. No tienen que reproducirlos. Esta distinción está en la raíz de algunas de las controversias sobre si la fabricación molecular es posible o no. Muchas autoridades a las que les resulta imposible están citando claramente fuentes de complejos sistemas autótrofos autorreplicantes. Muchas de las autoridades que lo encuentran posible están claramente citando fuentes para sistemas de autoensamblaje mucho más simples, que han sido demostrados. Mientras tanto, un robot autónomo construido con Lego capaz de seguir una pista preestablecida y ensamblar una copia exacta de sí mismo, a partir de cuatro componentes proporcionados externamente, se demostró experimentalmente en 2003 [2] .
La mera explotación de las capacidades de replicación de las células existentes es insuficiente, debido a las limitaciones en el proceso de biosíntesis de proteínas (ver también la lista de ARN ). Lo que se requiere es el diseño racional de un replicador completamente nuevo con una gama mucho más amplia de capacidades de síntesis.
En 2011, los científicos de la Universidad de Nueva York desarrollaron estructuras artificiales que pueden autorreplicarse, un proceso que tiene el potencial de producir nuevos tipos de materiales. Han demostrado que es posible replicar no solo moléculas como el ADN o ARN celular, sino estructuras discretas que, en principio, podrían asumir muchas formas diferentes, tener muchas características funcionales diferentes y estar asociadas con muchos tipos diferentes de especies químicas. [15] [16]
Para una discusión de otras bases químicas para hipotéticos sistemas autorreplicantes, vea bioquímica alternativa .