Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Динамикалық жүйенің мінез-құлқының түрі
Type of behavior of a dynamical system
Өзін-өзі көбейту – динамикалық жүйенің өзін-өзі бірдей немесе ұқсас көшірмесін жасауға алып келетін кез келген мінез-құлқы. Биологиялық жасушалар, қолайлы жағдайларда, жасуша бөліну арқылы көбейеді. Жасуша бөліну кезінде ДНК көбейтіліп, көбею процесінде ұрпаққа беріледі. Биологиялық вирустар да көбейе алады, бірақ тек инфекция арқылы жасушалардың көбею механизмін баурап алу арқылы. Зиянды прионды ақуыздар қалыпты ақуыздарды бұзылған нысандарға айналдыра көбейе алады. Компьютерлік вирустар компьютердегі бар аппараттық және бағдарламалық қамтамасты пайдаланып көбейеді. Робототехникада өзін-өзі көбейту зерттеу саласы және ғылыми фантастикада қызығушылық тудыратын тақырып. Егер өзін-өзі көбейту механизмі толық көшірме жасамайтын болса (мутация), онда генетикалық өзгерістер болады және өзінің түрлерін жасайды. Бұл түрлер табиғи іріктеуге түседі, себебі кейбіреулері ағымдағы ортада басқаларына қарағанда жақсы тіршілік етеді және олардан басым түседі.
Self replication is any behavior of a dynamical system that yields construction of an identical or similar copy of itself. Biological cells, given suitable environments, reproduce by cell division. During cell division, DNA is replicated and can be transmitted to offspring during reproduction. Biological viruses can replicate, but only by commandeering the reproductive machinery of cells through a process of infection. Harmful prion proteins can replicate by converting normal proteins into rogue forms. Computer viruses reproduce using the hardware and software already present on computers. Self replication in robotics has been an area of research and a subject of interest in science fiction. Any self replicating mechanism which does not make a perfect copy (mutation) will experience genetic variation and will create variants of itself. These variants will be subject to natural selection, since some will be better at surviving in their current environment than others and will out breed them.
Өмірдің пайда болуы
Өзін-өзі көбейту – өмірдің негізгі қасиеті. Эволюция барысында екі тізбекті полинуклеотидке ұқсас молекула (мысалы, РНК сияқты) бір тізбекті полинуклеотидтерге ыдырап, олардың әрқайсысы қосымша тізбекті синтездеуге үлгі ретінде қызмет етіп, екі екі тізбекті көшірме жасаған кезде өзін-өзі көбейту пайда болды деген болжам бар. Мұндай жүйеде әртүрлі нуклеотидтік тізбектерге ие жеке дуплексті көбейтушілер қол жетімді мононуклеотидтер үшін бәсекелесіп, ең «жетілген» тізбектерге табиғи іріктеуді бастайды.
Self replication is a fundamental feature of life. It was proposed that self replication emerged in the evolution of life when a molecule similar to a double stranded polynucleotide (possibly like RNA) dissociated into single stranded polynucleotides and each of these acted as a template for synthesis of a complementary strand producing two double stranded copies. In a system such as this, individual duplex replicators with different nucleotide sequences could compete with each other for available mononucleotide resources, thus initiating natural selection for the most “fit” sequences.
Өзін-өзі көбейту кластары
Соңғы зерттеулер репликаторларды, көбінесе оларға қажетті қолдау мөлшеріне байланысты жіктеуді бастады. Табиғи репликаторлар өз дизайнының барлық немесе көп бөлігін адам емес көздерден алады. Мұндай жүйелерге табиғи тіршілік нысандары жатады. Автотрофты репликаторлар "табиғи ортада" өздерін көбейтуге қабілді. Олар өздеріне қажетті материалды өндіріп алады. Биологиялық емес автотрофты репликаторларды адамдар жасауы мүмкін, және олар адам өнімдерінің техникалық талаптарын оңай қабылдай алады деп болжанады. Өзін-өзі көбейту жүйелері – металл таяқшалар мен сымдар сияқты өнеркәсіптік шикізаттан өздерінің көшірмелерін жасайтын гипотетикалық жүйелер. Өзін-өзі құрастыру жүйелері өздерінің көшірмелерін дайын, жеткізілген бөлшектерден құрастырады. Мұндай жүйелердің қарапайым мысалдары макродеңгейде көрсетілген. Машиналық репликаторлардың жобалау кеңістігі өте кең. Роберт Фрейтас және Ральф Мерклдің бүгінгі күнге дейінгі толыққанды зерттеулері 137 жобалау өлшемдерін он екі жеке санатқа топтастырды, олардың ішінде: (1) Репликацияны басқару, (2) Репликация туралы ақпарат, (3) Репликация субстраты, (4) Репликатор құрылымы, (5) Пассивті бөліктер, (6) Активті элементтер, (7) Репликатор энергетикасы, (8) Репликатор кинематикасы, (9) Репликация процесі, (10) Репликатордың өнімділігі, (11) Өнім құрылымы және (12) Даму қабілеті.
Recent research has begun to categorize replicators, often based on the amount of support they require. Natural replicators have all or most of their design from nonhuman sources. Such systems include natural life forms. Autotrophic replicators can reproduce themselves "in the wild". They mine their own materials. It is conjectured that non biological autotrophic replicators could be designed by humans, and could easily accept specifications for human products. Self reproductive systems are conjectured systems which would produce copies of themselves from industrial feedstocks such as metal bar and wire. Self assembling systems assemble copies of themselves from finished, delivered parts. Simple examples of such systems have been demonstrated at the macro scale. The design space for machine replicators is very broad. A comprehensive study to date by Robert Freitas and Ralph Merkle has identified 137 design dimensions grouped into a dozen separate categories, including: (1) Replication Control, (2) Replication Information, (3) Replication Substrate, (4) Replicator Structure, (5) Passive Parts, (6) Active Subunits, (7) Replicator Energetics, (8) Replicator Kinematics, (9) Replication Process, (10) Replicator Performance, (11) Product Structure, and (12) Evolvability.
Өзін-өзі қайталайтын компьютерлік бағдарлама
Компьютерлік ғылымда квин – өзін-өзі көбейтіп шығаратын компьютерлік бағдарлама, оны іске қосқанда оның өзінің коды шығады. Мысалы, Python бағдарламалау тіліндегі квин:
In computer science a quine is a self reproducing computer program that, when executed, outputs its own code. For example, a quine in the Python programming language is:
Көбірек қарапайым тәсіл – кез келген дерек ағынының көшірмесін жасап, оны өзіне бағыттайтын бағдарламаны жазу. Бұл жағдайда бағдарлама орындалатын код ретінде де, сондай-ақ өңдеуге арналған дерек ретінде де қарастырылады. Бұл тәсіл көптеген өзін-өзі көбейтіп шығаратын жүйелерде, тіпті биологиялық өмірде де кең таралған, себебі ол бағдарламаның өзін толық сипаттауын талап етпейді. Көптеген бағдарламалау тілдерінде бос бағдарлама рұқсат етіледі және ол қателер немесе басқа да нәтижелер шығармай орындалады. Осылайша, нәтиже бастапқы кодқа сәйкес келеді, сондықтан бағдарлама өзін-өзі көбейтіп шығарады.
A more trivial approach is to write a program that will make a copy of any stream of data that it is directed to, and then direct it at itself. In this case the program is treated as both executable code, and as data to be manipulated. This approach is common in most self replicating systems, including biological life, and is simpler as it does not require the program to contain a complete description of itself. In many programming languages an empty program is legal, and executes without producing errors or other output. The output is thus the same as the source code, so the program is trivially self reproducing.
Өзін-өзі қайталайтын плитка
Геометрияда өздігінен көбейетін мозаика – бірнеше түйіндес мозаикалар бірігіп, бастапқысына ұқсас үлкен мозаиканы құрайтын мозаика үлгісі. Бұл мозаикалық өрнектерді зерттейтін саланың бір аспектісі. "Сфинкс" гексамоны – өзін-өзі көбейтуге қабілетті жалғыз пентагон. Мысалы, төрт қабырғалы бесбұрыштан бастапқыдан екі есе үлкенін жасауға болады. Соломон В. Голомб өздігінен көбейетін мозаикалар үшін "көбейтілген мозаикалар" терминін енгізді. 2012 жылы Ли Саллоус көбейтілген мозаикаларды өздігінен мозаикаланатын жиынтық немесе сетисеттің ерекше жағдайы ретінде анықтады. n ретті сетисет – n пішіннен тұратын жиынтық, олар өздерінің үлкен көшірмелерін жасау үшін n әртүрлі тәсілмен құрастырылуы мүмкін. Әр пішіні ерекше болатын сетисеттер "жетілген" деп аталады. Rep n rep tile – бұл n бірдей бөліктен тұратын сетисет.
In geometry a self replicating tiling is a tiling pattern in which several congruent tiles may be joined together to form a larger tile that is similar to the original. This is an aspect of the field of study known as tessellation. The "sphinx" hexiamond is the only known self replicating pentagon. For example, four such concave pentagons can be joined together to make one with twice the dimensions. Solomon W. Golomb coined the term rep tiles for self replicating tilings. In 2012, Lee Sallows identified rep tiles as a special instance of a self tiling tile set or setiset. A setiset of order n is a set of n shapes that can be assembled in n different ways so as to form larger replicas of themselves. Setisets in which every shape is distinct are called 'perfect'. A rep n rep tile is just a setiset composed of n identical pieces.
Өзін-өзі қайталайтын балшық кристалдары
Табиғи өзін-өзі көбейтудің бір түрі ДНК немесе РНК негізінде емес, балшық кристалдарында жүзеге асады. Балшық көптеген кішкентай кристалдардан тұрады, және балшық кристаллдардың өсуіне жағдай жасайтын орта болып табылады. Кристалдар атомдардың реттелген торынан құралады және, мысалы, кристалл құраушыларын қамтитын сулы ерітіндіге салғанда өсе алады; кристалл шекарасындағы атомдарды автоматты түрде кристаллдық формаға орналастырады. Кристалдарда реттелген атомдық құрылымның бұзылуы бар жерлерде бұзылыстар болуы мүмкін, ал кристаллдар өскенде, бұл бұзылыстар таралып, кристалл бұзылыстарының өзін-өзі көбейту түрін құрауы мүмкін. Осы бұзылыстар жаңа кристаллдардың пайда болуы үшін кристаллдың бөліну ықтималдығына әсер етуі мүмкін, сондықтан мұндай бұзылыстары бар кристаллдар эволюциялық дамуға ұшырайды деп санауға болады.
One form of natural self replication that is not based on DNA or RNA occurs in clay crystals. Clay consists of a large number of small crystals, and clay is an environment that promotes crystal growth. Crystals consist of a regular lattice of atoms and are able to grow if e. g. placed in a water solution containing the crystal components; automatically arranging atoms at the crystal boundary into the crystalline form. Crystals may have irregularities where the regular atomic structure is broken, and when crystals grow, these irregularities may propagate, creating a form of self replication of crystal irregularities. Because these irregularities may affect the probability of a crystal breaking apart to form new crystals, crystals with such irregularities could even be considered to undergo evolutionary development.
Қолданбалар
Кейбір инженерлік ғылымдардың ұзақ мерзімді мақсаты – өздігінен көбейе алатын материалдық құрылғы, яғни «клэнкинг репликаторын» жасау. Мұның негізгі себебі – өндірілген тауардың қажеттілігін сақтай отырып, әрбір бірлікке төмен баға қол жеткізу. Көптеген сарапшылардың пікірінше, өздігінен көбейетін бұйымдардың құны ағаш сияқты басқа да биологиялық материалдардың салмағына шамалас болуы керек, себебі өздігінен көбейту еңбек, капитал және дәстүрлі өндірістегі тарату шығындарын қысқартады. Жаңадан жасалған репликатор – жақын арада қол жеткізуге болатын мақсат. NASA жүргізген зерттеуде «клэнкинг репликаторының» күрделілігі Intel Pentium 4 процессорының күрделілігімен салыстырылды. Яғни, технологияны салыстырмалы түрде шағын инженерлік топ, ақылға қонымды коммерциялық мерзімде және қолайлы бағамен жүзеге асыруға болады. Биотехнологияға қазіргі күшті қызығушылық пен осы салаға бөлгеніп отырған қаржыны ескере отырып, қолданыстағы жасушалардың көбейту қабілетін пайдалануға жасалған тырастықтар уақтылы болып табылады және маңызды жаңалықтар мен жетістіктерге әкелуі мүмкін. Өзін-өзі көбейтудің бір түрі компилятор құрастыруда маңызды рөл атқарады, онда табиғи өздігінен көбейтудегідей, бастапқы мәселе туындайды. Компилятор (фенотип) өзінің бастапқы кодына (генотип) қолданылып, сол компиляторды қайта жасай алады. Компиляторды дамыту барысында, модификацияланған (мутацияланған) бастапқы код компилятордың келесі буынын жасау үшін қолданылады. Бұл процесс табиғи өздігінен көбейтуден өзгеше, себебі осы процесті инженер басқарады, ал өзіндік нысан емес.
It is a long term goal of some engineering sciences to achieve a clanking replicator, a material device that can self replicate. The usual reason is to achieve a low cost per item while retaining the utility of a manufactured good. Many authorities say that in the limit, the cost of self replicating items should approach the cost per weight of wood or other biological substances, because self replication avoids the costs of labor, capital and distribution in conventional manufactured goods. A fully novel artificial replicator is a reasonable near term goal. A NASA study recently placed the complexity of a clanking replicator at approximately that of Intel's Pentium 4 CPU. That is, the technology is achievable with a relatively small engineering group in a reasonable commercial time scale at a reasonable cost. Given the currently keen interest in biotechnology and the high levels of funding in that field, attempts to exploit the replicative ability of existing cells are timely, and may easily lead to significant insights and advances. A variation of self replication is of practical relevance in compiler construction, where a similar bootstrapping problem occurs as in natural self replication. A compiler (phenotype) can be applied on the compiler's own source code (genotype) producing the compiler itself. During compiler development, a modified (mutated) source is used to create the next generation of the compiler. This process differs from natural self replication in that the process is directed by an engineer, not by the subject itself.
Ғарышты зерттеу және өндіру
Ғарыш жүйелерінде өзін-өзі көбейтудің мақсаты – аз ұшыру массасымен үлкен мөлшердегі материяны пайдалану. Мысалы, автотрофты өзін-өзі көбейту машинасы айды немесе планетаны күн панельдерімен жауып, микротолқындарды пайдалана отырып, Жерге қуатты жіберуге болады. Бір рет орналасқаннан кейін, өзін құраған машиналар шикізатты немесе өндірілген заттарды, соның ішінде өнімді тасымалдауға арналған көлік жүйелерін өндіре алады. Өзін-өзі көбейту машинасының тағы бір түрі галактика мен ғалам арқылы көшіріліп, ақпаратты кері жібереді. Жалпы, осы жүйелер автотрофты болғандықтан, олар ең қиын және күрделі көбейгіштер болып саналады. Олар сондай-ақ ең қауіпті деп есептеледі, себебі олар көбейіп өндіру үшін адамнан ешқандай араласуды қажет етпейді. Ғарыштағы көбейгіштерге қатысты классикалық теориялық зерттеу – 1980 жылғы Роберт Фрейтас редакциялаған НАСА-ның автотрофты «кланкинг» көбейгіштері туралы зерттеуі. Дизайн зерттеуінің көп бөлігі ай реголитін өңдеуге арналған қарапайым, икемді химиялық жүйеге және көбейгішке қажетті элементтердің арақатынасына, ал реголиттегі арақатынасқа қатысты болды. Шектеуші элемент – хлор, алюминийді өңдеу үшін қажетті элемент. Хлор ай реголитінде өте сирек кездеседі, ал шамалы көлемде импорттау арқылы көбеюдің айтарлықтай жылдамдығын қамтамасыз етуге болады. Бағалау жобасында рельстерде жүретін кішкентай компьютерлік электр арбалар қарастырылған. Әр арбада қарапайым манипулятор немесе кішкентай бульдозер қазығы бар, бұл негізгі роботты құрайды. Электр қуаты бағаналарға орнатылған күн панельдерінен тұратын «шатырмен» қамтамасыз етіледі. Басқа машиналар шатырдың астында жұмыс істей алады. «Құю роботы» гипс қалыптарын жасау үшін бірнеше мүсін құралдары бар робот манипуляторын пайдаланады. Гипс қалыптарын жасау оңай, және олар жақсы беттік өңдеумен дәл бөлшектерді жасауға мүмкіндік береді. Робот көптеген бөлшектерді өткізбейтін балқыған тау жынысынан (базальт) немесе тазартылған металдардан құяды. Электр пештері материалдарды балқытады. Компьютерлік және электрондық жүйелерді өндіру үшін күрделірек «чип фабрикасы» қарастырылды, бірақ дизайнерлер чиптерді «витаминдер» сияқты Жерден тасымалдаудың практикалық болуы мүмкін екенін де айтты.
The goal of self replication in space systems is to exploit large amounts of matter with a low launch mass. For example, an autotrophic self replicating machine could cover a moon or planet with solar cells, and beam the power to the Earth using microwaves. Once in place, the same machinery that built itself could also produce raw materials or manufactured objects, including transportation systems to ship the products. Another model of self replicating machine would copy itself through the galaxy and universe, sending information back. In general, since these systems are autotrophic, they are the most difficult and complex known replicators. They are also thought to be the most hazardous, because they do not require any inputs from human beings in order to reproduce. A classic theoretical study of replicators in space is the 1980 NASA study of autotrophic clanking replicators, edited by Robert Freitas. Much of the design study was concerned with a simple, flexible chemical system for processing lunar regolith, and the differences between the ratio of elements needed by the replicator, and the ratios available in regolith. The limiting element was Chlorine, an essential element to process regolith for Aluminium. Chlorine is very rare in lunar regolith, and a substantially faster rate of reproduction could be assured by importing modest amounts. The reference design specified small computer controlled electric carts running on rails. Each cart could have a simple hand or a small bull dozer shovel, forming a basic robot. Power would be provided by a "canopy" of solar cells supported on pillars. The other machinery could run under the canopy. A "casting robot" would use a robotic arm with a few sculpting tools to make plaster molds. Plaster molds are easy to make, and make precise parts with good surface finishes. The robot would then cast most of the parts either from non conductive molten rock (basalt) or purified metals. An electric oven melted the materials. A speculative, more complex "chip factory" was specified to produce the computer and electronic systems, but the designers also said that it might prove practical to ship the chips from Earth as if they were "vitamins".
Молекулалық өндіріс
Нанотехнологтар, әсіресе, адам баласы нанометрлік өлшемдегі өзін-өзі көбейтіп құрастыратын құрылғыны жасамайынша, олардың жұмысы толыққанды деңгейге жете алмайтынына сенімді. Бұл жүйелер автотрофтық жүйелерге қарағанда әлдеқайда қарапайым, себебі олар тазартылған шикізаттармен және энергиямен қамтамасыз етіледі. Олар оларды өндірудің қажеті жоқ. Осы айырмашылық молекулалық өндірістің мүмкін болуы немесе болмауы туралы пікір қақтығысының түбінде жатыр. Көптеген мамандар оны мүмкін емес деп санайды, олар күрделі автотрофтық, өзін-өзі көбейтіп құрастыратын жүйелер туралы дереккөздерді көрсетеді. Ал мүмкін деп санайтын көптеген мамандар өздігінен құрастырылатын, әлдеқайда қарапайым жүйелер туралы дереккөздерді келтіреді, олар тәжірибеде дәлелденген. 2003 жылы Lego компаниясы төрт сыртқы компоненттен бастап, алдын ала белгіленген жолмен қозғалып, өзінің нақты көшірмесін құрастыра алатын автономды роботты тәжірибелік түрде көрсетті. Қолданыстағы жасушалардың көбейту қабілеттерін пайдалану ғана жеткіліксіз, себебі белок биосинтезі процесінде шектеулер бар (РНК туралы да қараңыз). Қажеттісі – синтездеу мүмкіндіктерінің ауқымы кең, жаңа репликаторды рационалды жобалау. 2011 жылы Нью-Йорк университетінің ғалымдары өздігінен көбейтілетін жасанды құрылымдарды жасады, бұл процесс жаңа материалдардың пайда болуына әкелуі мүмкін. Олар молекулаларды ғана емес, жасушалық ДНҚ немесе РНК сияқты, сонымен қатар, көптеген түрлі пішіндерді қабылдай алатын, әртүрлі функционалдық ерекшеліктерге ие болатын және көптеген түрлі химиялық түрлермен байланысты болатын дискретті құрылымдарды көбейтуге болатынын көрсетті. Гипотетикалық өзін-өзі көбейтіп құрастыратын жүйелер үшін басқа химиялық негіздерді талқылау үшін баламалы биохимияға қараңыз.
Nanotechnologists in particular believe that their work will likely fail to reach a state of maturity until human beings design a self replicating assembler of nanometer dimensions. These systems are substantially simpler than autotrophic systems, because they are provided with purified feedstocks and energy. They do not have to reproduce them. This distinction is at the root of some of the controversy about whether molecular manufacturing is possible or not. Many authorities who find it impossible are clearly citing sources for complex autotrophic self replicating systems. Many of the authorities who find it possible are clearly citing sources for much simpler self assembling systems, which have been demonstrated. In the meantime, a Lego built autonomous robot able to follow a pre set track and assemble an exact copy of itself, starting from four externally provided components, was demonstrated experimentally in 2003. Merely exploiting the replicative abilities of existing cells is insufficient, because of limitations in the process of protein biosynthesis (also see the listing for RNA). What is required is the rational design of an entirely novel replicator with a much wider range of synthesis capabilities. In 2011, New York University scientists have developed artificial structures that can self replicate, a process that has the potential to yield new types of materials. They have demonstrated that it is possible to replicate not just molecules like cellular DNA or RNA, but discrete structures that could in principle assume many different shapes, have many different functional features, and be associated with many different types of chemical species. For a discussion of other chemical bases for hypothetical self replicating systems, see alternative biochemistry.