Введение

Тип поведения динамической системы

Саморепликация – это любое поведение динамической системы, приводящее к созданию идентичной или схожей копии самой себя. Биологические клетки, при наличии подходящей среды, размножаются делением клеток. В процессе деления клеток ДНК реплицируется и может передаваться потомству при размножении. Биологические вирусы способны к репликации, но только путем использования репродуктивных механизмов клеток в процессе заражения. Опасные прионные белки могут реплицироваться, превращая нормальные белки в аномальные формы. Компьютерные вирусы размножаются, используя уже имеющееся на компьютерах аппаратное и программное обеспечение. Самовоспроизведение в робототехнике является областью исследований и предметом интереса в научной фантастике. Любой механизм саморепликации, не создающий точную копию (мутацию), будет подвержен генетическим вариациям и породит варианты самого себя. Эти варианты будут подвергаться естественному отбору, поскольку некоторые из них окажутся более приспособленными к выживанию в текущей среде, чем другие, и будут превосходить их в размножении.

Происхождение жизни

Самовоспроизведение – фундаментальная характеристика жизни. Предполагалось, что самовоспроизведение возникло в ходе эволюции жизни, когда молекула, подобная двуцепочечному полинуклеотиду (возможно, как РНК), диссоциировала на одноцепочечные полинуклеотиды, и каждый из них служил матрицей для синтеза комплементарной цепи, образуя две двуцепочечные копии. В такой системе отдельные дуплексные репликаторы с различными нуклеотидными последовательностями могли бы конкурировать друг с другом за доступные ресурсы мононуклеотидов, тем самым инициируя естественный отбор наиболее "устойчивых" последовательностей.

Классы самовоспроизводства

Недавние исследования начали классифицировать репликаторы, часто основываясь на объеме необходимой поддержки. Природные репликаторы имеют все или большинство элементов своего строения из источников, не связанных с человеком. К таким системам относятся естественные формы жизни. Автотрофные репликаторы способны размножаться в естественной среде обитания. Они самостоятельно добывают необходимые материалы. Предполагается, что небиологические автотрофные репликаторы могут быть созданы людьми и способны легко принимать технические задания для производства человеческих продуктов. Самовоспроизводящиеся системы – это гипотетические системы, способные производить копии самих себя из промышленного сырья, такого как металлические прутки и проволока. Системы самосборки собирают копии себя из готовых, доставленных компонентов. Простые примеры таких систем были продемонстрированы в макромасштабе. Пространство конструкторских решений для машинных репликаторов чрезвычайно широко. Всестороннее исследование, проведенное Робертом Фрейтасом и Ральфом Мерклом, выявило 137 конструктивных параметров, сгруппированных в дюжину отдельных категорий, включая: (1) Управление репликацией, (2) Информация для репликации, (3) Субстрат для репликации, (4) Структура репликатора, (5) Пассивные компоненты, (6) Активные элементы, (7) Энергетика репликатора, (8) Кинематика репликатора, (9) Процесс репликации, (10) Эффективность репликатора, (11) Структура продукта и (12) Способность к эволюции.

Самовоспроизводящаяся компьютерная программа

В информатике квин — это самовоспроизводящаяся компьютерная программа, которая при выполнении выводит свой собственный исходный код. Например, квин на языке программирования Python:

Более простой подход — написать программу, которая делает копию любого входящего потока данных и затем направляет эту копию на себя. В этом случае программа рассматривается одновременно как исполняемый код и как данные для обработки. Этот подход распространен в большинстве самовоспроизводящихся систем, включая биологические организмы, и он проще, поскольку не требует, чтобы программа содержала полное описание самой себя. Во многих языках программирования допустима пустая программа, которая выполняется без ошибок или какого-либо вывода. В этом случае вывод совпадает с исходным кодом, и программа тривиально самовоспроизводится.

Самовоспроизводящаяся плитка

В геометрии самовоспроизводящаяся мозаика – это узор, состоящий из плиток, в котором несколько конгруэнтных плиток можно соединить вместе, чтобы образовать большую плитку, подобную исходной. Это аспект области исследования, известной как тесселяция. Гексамино "Сфинкс" – единственный известный самовоспроизводящийся пятиугольник. Например, четыре таких вогнутых пятиугольника можно соединить, чтобы получить один с вдвое большими размерами. Соломон В. Голомб ввёл термин "реп-плитки" для самовоспроизводящихся мозаик. В 2012 году Ли Саллоуз определил реп-плитки как частный случай самомозаичного набора плиток или сетисета. Сетисет порядка n – это набор из n фигур, которые можно собрать n различными способами, чтобы сформировать более крупные реплики самих себя. Сетисеты, в которых каждая фигура различна, называются "совершенными". Rep n rep-плитка – это просто сетисет, состоящий из n идентичных частей.

самовоспроизводящиеся глиняные кристаллы

Одна форма естественного самовоспроизведения, не основанная на ДНК или РНК, наблюдается в глиняных кристаллах. Глина состоит из большого количества мелких кристаллов, и она создает среду, способствующую росту кристаллов. Кристаллы состоят из упорядоченной решетки атомов и способны расти, например, при помещении в водный раствор, содержащий компоненты кристалла, автоматически упорядочивая атомы на границе кристалла в кристаллическую структуру. Кристаллы могут содержать дефекты, где регулярная атомная структура нарушена, и при росте кристаллов эти дефекты могут распространяться, создавая форму самовоспроизведения кристаллических дефектов. Поскольку эти дефекты могут влиять на вероятность разрушения кристалла с образованием новых кристаллов, кристаллы с такими дефектами можно даже рассматривать как подвергающиеся эволюционному развитию.

Приложения

Долгосрочной целью некоторых инженерных наук является создание самовоспроизводящегося репликатора – материального устройства, способного к самокопированию. Обычно это обусловлено стремлением к достижению низкой себестоимости единицы продукции при сохранении полезных свойств готового изделия. Многие специалисты считают, что в пределе стоимость самовоспроизводящихся объектов должна приближаться к стоимости единицы веса древесины или других биологических материалов, поскольку самокопирование позволяет избежать затрат на рабочую силу, капитал и дистрибуцию, характерных для традиционного производства. Создание принципиально нового искусственного репликатора – вполне достижимая задача в ближайшей перспективе. Недавнее исследование NASA оценило сложность самовоспроизводящегося репликатора как сопоставимую со сложностью процессора Intel Pentium 4. Это означает, что технология реализуема относительно небольшой инженерной группой в разумные сроки и с приемлемыми затратами. Учитывая текущий повышенный интерес к биотехнологиям и высокий уровень финансирования в этой области, попытки использовать репликативные способности существующих клеток представляются своевременными и могут привести к значительным открытиям и достижениям. Вариация самокопирования имеет практическое применение при разработке компиляторов, где возникает аналогичная задача начальной загрузки, как и при естественном самовоспроизведении. Компилятор (фенотип) может быть применен к собственному исходному коду (генотипу), создавая тем самым самого себя. В процессе разработки компилятора модифицированный (мутировавший) исходный код используется для создания следующей версии компилятора. Этот процесс отличается от естественного самокопирования тем, что он направляется инженером, а не самим объектом.

Исследование космоса и производство

Цель самовоспроизводства в космических системах – использование больших объемов материи при низкой массе запуска. Например, автотрофная самовоспроизводящаяся машина могла бы покрыть луну или планету солнечными элементами и передавать энергию на Землю с помощью микроволн. После установки то же оборудование, которое построило себя, могло бы производить сырье или готовые изделия, включая транспортные системы для доставки продукции. Другая модель самовоспроизводящейся машины копировала бы себя по всей галактике и Вселенной, отправляя информацию обратно. В целом, поскольку эти системы автотрофны, они являются самыми сложными и трудными для создания репликаторами из известных. Они также считаются наиболее опасными, поскольку для воспроизводства им не требуется никакого вмешательства со стороны человека. Классическим теоретическим исследованием репликаторов в космосе является исследование НАСА 1980 года, посвященное автотрофным репликаторам, под редакцией Роберта Фрейтаса. Большая часть конструкторского исследования была посвящена простой и гибкой химической системе для переработки лунного реголита, а также различиям между соотношением элементов, необходимых репликатору, и соотношением, доступным в реголите. Хлор был лимитирующим элементом, необходимым для переработки реголита в алюминий. Хлор очень редок в лунном реголите, и значительно более высокая скорость воспроизводства могла бы быть обеспечена путем импорта небольшого количества. В референсном проекте были указаны небольшие, управляемые компьютером электрические тележки, движущиеся по рельсам. Каждая тележка могла иметь простую манипуляторную руку или небольшой бульдозерный отвал, формируя базового робота. Энергия обеспечивалась бы «навесом» из солнечных элементов, поддерживаемых на столбах. Остальное оборудование могло бы работать под навесом. «Литейный робот» использовал бы роботизированную руку с несколькими инструментами для создания гипсовых форм. Гипсовые формы легко изготавливаются и позволяют создавать точные детали с хорошей поверхностной обработкой. Затем робот отливал бы большую часть деталей из непроводящих расплавленных пород (базальта) или очищенных металлов. Электрическая печь расплавляла материалы. Была предусмотрена более сложная, спекулятивная «фабрика чипов» для производства компьютеров и электронных систем, но разработчики также отметили, что может оказаться практичным доставлять чипы с Земли, как если бы это были «витамины».

Молекулярная промышленность

Нанотехнологи, в частности, считают, что их работа вряд ли достигнет зрелости, пока люди не создадут самовоспроизводящийся сборщик нанометровых размеров. Эти системы значительно проще, чем автотрофные, поскольку им предоставляются очищенные исходные материалы и энергия – им не нужно воспроизводить эти материалы самостоятельно. Это различие является ключевым в спорах о возможности молекулярного производства. Многие авторитетные ученые, считающие это невозможным, ссылаются на источники, описывающие сложные автотрофные самовоспроизводящиеся системы. В то же время, многие из тех, кто считает это возможным, ссылаются на источники, описывающие гораздо более простые самособирающиеся системы, существование которых уже продемонстрировано. В 2003 году экспериментально был создан автономный робот, собранный из деталей Lego, способный следовать заданной траектории и собирать точную копию самого себя, используя четыре внешне предоставленных компонента. Однако простого использования репликативных способностей существующих клеток недостаточно из-за ограничений процесса биосинтеза белков (см. также статью о РНК). Необходима рациональная разработка принципиально нового репликатора с гораздо более широким спектром синтетических возможностей. В 2011 году ученые из Нью-Йоркского университета разработали искусственные структуры, способные к самовоспроизведению, что потенциально может привести к созданию новых типов материалов. Они показали, что возможно воспроизводить не только молекулы, такие как клеточная ДНК или РНК, но и дискретные структуры, которые теоретически могут принимать различные формы, обладать различными функциональными характеристиками и включать различные типы химических соединений. Обсуждение других химических основ для гипотетических самовоспроизводящихся систем представлено в разделе «Альтернативная биохимия».