Самовоспроизведение - Self-replication

Самовоспроизведение любое поведение динамическая система что приводит к созданию идентичной или подобной копии самого себя. Биологические клетки в подходящих условиях воспроизводить деление клеток. Во время деления клеток ДНК реплицируется и может передаваться потомству во время воспроизведение. Биологические вирусы может копировать, но только за счет управления репродуктивным механизмом клеток в процессе инфекции. Вредный прион белки могут реплицироваться путем преобразования нормальных белков в ложные формы.^[1] Компьютерные вирусы воспроизводить, используя оборудование и программное обеспечение, уже имеющиеся на компьютерах. Самовоспроизведение в робототехника был областью исследований и предметом интереса в научная фантастика. Любой самовоспроизводящийся механизм, не создающий идеальной копии (мутация ) испытает генетическая вариация и создаст варианты самого себя. Эти варианты будут подлежать естественный отбор, поскольку одни будут лучше выживать в нынешних условиях, чем другие, и будут их превосходить.

Обзор

Теория

Ранние исследования Джон фон Нейман^[2] Установлено, что репликаторы состоят из нескольких частей:

Кодированное представление репликатора
Механизм копирования закодированного представления
Механизм осуществления конструкции в среде хоста репликатора

Возможны исключения из этого шаблона, но пока ничего не сделано. Например, ученые вплотную подошли к созданию РНК, которую можно копировать в «среде», представляющей собой раствор мономеров РНК и транскриптазы. В этом случае тело - это геном, а специализированные механизмы копирования - внешние. Требование внешнего механизма копирования еще не преодолено, и такие системы более точно характеризуются как «вспомогательная репликация», чем «самовоспроизведение».

Однако в простейшем случае существует только геном. Без некоторой спецификации этапов самовоспроизведения систему, состоящую только из генома, вероятно, лучше охарактеризовать как нечто вроде кристалл.

Классы самовоспроизведения

Недавнее исследование^[3] начал классифицировать репликаторы, часто в зависимости от объема необходимой им поддержки.

Природные репликаторы полностью или частично созданы из нечеловеческих источников. Такие системы включают естественные формы жизни.
Автотрофный репликаторы могут воспроизводить себя «в дикой природе». Они добывают собственные материалы. Предполагается, что небиологические автотрофные репликаторы могут быть созданы людьми и могут легко принимать спецификации для человеческих продуктов.
Самовоспроизводящиеся системы - это предполагаемые системы, которые будут производить копии самих себя из промышленного сырья, такого как металлический стержень и проволока.
Системы самосборки собирают свои копии из готовых, поставленных деталей. Простые примеры таких систем продемонстрированы на макроуровне.

Пространство для проектирования машинных репликаторов очень велико. Комплексное исследование^[4] на сегодняшний день Роберт Фрейтас и Ральф Меркл определил 137 проектных параметров, сгруппированных в дюжину отдельных категорий, в том числе: (1) контроль репликации, (2) информация о репликации, (3) субстрат репликации, (4) структура репликатора, (5) пассивные части, (6) активные субъединицы, (7) Энергетика репликатора, (8) Кинематика репликатора, (9) Процесс репликации, (10) Производительность репликатора, (11) Структура продукта и (12) Эволюционируемость.

Самовоспроизводящаяся компьютерная программа

В Информатика а лоза это самовоспроизводящаяся компьютерная программа, которая при исполнении выводит собственный код. Например, хайн в Язык программирования Python является:

a = 'a =% r; print (a %% a)'; print (a% a)

Более тривиальный подход - написать программу, которая сделает копию любого потока данных, на который она направлена, а затем направит ее на себя. В этом случае программа рассматривается и как исполняемый код, и как данные, которыми нужно управлять. Этот подход распространен в большинстве самовоспроизводящихся систем, включая биологическую жизнь, и является более простым, поскольку не требует, чтобы программа содержала полное описание самой себя.

Во многих языках программирования пустая программа является допустимой и выполняется без ошибок или другого вывода. Таким образом, вывод такой же, как и исходный код, поэтому программа тривиально самовоспроизводится.

Самовоспроизводящаяся плитка

В геометрия самовоспроизводящаяся мозаика - это шаблон мозаики, в котором несколько конгруэнтный плитки можно соединить вместе, чтобы сформировать плитку большего размера, похожую на исходную. Это аспект области исследования, известной как мозаика. "сфинкс " шестиугольник единственный известный самовоспроизводящийся пятиугольник.^[5] Например, четыре таких вогнутый пятиугольники можно соединить вместе, чтобы получился один вдвое больше.^[6] Соломон В. Голомб ввел термин реп-плитки для самовоспроизводящихся плиток.

В 2012, Ли Саллоус идентифицировал реплики как особый экземпляр набор самоклеящейся плитки или сетисет. Набор порядка п это набор п формы, которые можно собрать в п различными способами, чтобы сформировать более крупные копии самих себя. Сетисеты, в которых каждая форма индивидуальна, называются «идеальными». Представительп Rep-tile - это просто набор, состоящий из п одинаковые штуки.

Четыре 'сфинкс 'шестиугольники могут быть соединены, чтобы сформировать еще одного сфинкса.

Идеально сетисет порядка 4

Самовоспроизводящиеся глиняные кристаллы

Одна из форм естественного самовоспроизведения, не основанная на ДНК или РНК, происходит в кристаллах глины.^[7] Глина состоит из большого количества мелких кристаллов, а глина - это среда, которая способствует росту кристаллов. Кристаллы состоят из правильной решетки атомов и могут расти, если, например, помещают в водный раствор, содержащий кристаллические компоненты; автоматическое преобразование атомов на границе кристалла в кристаллическую форму. Кристаллы могут иметь неровности, в которых нарушается регулярная атомная структура, и когда кристаллы растут, эти неровности могут распространяться, создавая форму самовоспроизведения неоднородностей кристалла. Поскольку эти неоднородности могут влиять на вероятность разрушения кристалла с образованием новых кристаллов, кристаллы с такими неоднородностями могут даже считаться эволюционирующими.

Приложения

Долгосрочная цель некоторых инженерных наук - достичь лязгающий репликатор, материальное устройство, которое может самовоспроизводиться. Обычно причина заключается в достижении низкой стоимости единицы товара при сохранении полезности произведенного товара. Многие авторитеты говорят, что в пределе стоимость самовоспроизводящихся предметов должна приближаться к стоимости на вес древесины или других биологических веществ, потому что самовоспроизведение позволяет избежать затрат на труд, капитал и распределение в обычных промышленные товары.

Совершенно новый искусственный репликатор - разумная ближайшая цель. НАСА исследование недавно определило сложность лязгающий репликатор примерно на уровне Intel с Pentium 4 CPU.^[8] То есть технология достижима с помощью относительно небольшой группы инженеров в разумные коммерческие сроки при разумной стоимости.

Учитывая повышенный в настоящее время интерес к биотехнологии и высокий уровень финансирования в этой области, попытки использовать репликативную способность существующих клеток своевременны и могут легко привести к значительным открытиям и достижениям.

Вариант самовоспроизведения имеет практическое значение в компилятор строительство, где аналогичный самонастройка проблема возникает как при естественном самовоспроизведении. Компилятор (фенотип ) может применяться компилятором самостоятельно исходный код (генотип ), производящий сам компилятор. Во время разработки компилятора измененный (мутировавший ) source используется для создания компилятора следующего поколения. Этот процесс отличается от естественного самовоспроизведения тем, что им управляет инженер, а не сам субъект.

Механическое самовоспроизведение

Деятельность в области роботов - это самовоспроизведение машин. Поскольку все роботы (по крайней мере, в наше время) имеют изрядное количество одинаковых функций, самовоспроизводящийся робот (или, возможно, улей роботов) должен будет сделать следующее:

Получить строительные материалы
Производство новых деталей, включая мельчайшие детали и мыслительный аппарат.
Обеспечьте постоянный источник питания
Запрограммируйте новых участников
ошибка исправить любые ошибки в потомстве

На нано шкала, монтажники также могут быть разработаны для самовоспроизведения под своей собственной силой. Это, в свою очередь, привело к "серая слизь "версия Армагедон, как показано в таких фантастических романах, как цвести, Добыча, и Рекурсия.

В Институт Форсайта опубликовал руководство для исследователей в области механического самовоспроизведения.^[9] В руководстве рекомендуется, чтобы исследователи использовали несколько конкретных методов для предотвращения выхода механических репликаторов из-под контроля, таких как использование архитектура вещания.

Подробную статью о механическом воспроизведении в связи с индустриальной эпохой см. массовое производство.

Поля

Исследования проводились в следующих областях:

Биология изучает естественную репликацию и репликаторы, а также их взаимодействие. Это может быть важным руководством, позволяющим избежать трудностей при проектировании самовоспроизводящихся машин.
В Химия Исследования саморепликации обычно посвящены тому, как определенный набор молекул может действовать вместе, чтобы реплицировать друг друга внутри набора. ^[10] (часто часть Системная химия поле).
Меметика изучает идеи и то, как они распространяются в человеческой культуре. Мемы требуют лишь небольшого количества материала и, следовательно, имеют теоретическое сходство с вирусы и часто описываются как популярный.
Нанотехнологии или точнее, молекулярная нанотехнология занимается созданием нано шкала монтажники. Без самовоспроизведения капитальные затраты и затраты на сборку молекулярные машины стать невероятно большим.
Космические ресурсы: НАСА спонсировало ряд проектных исследований для разработки самовоспроизводящихся механизмов добычи космических ресурсов. Большинство этих конструкций включает в себя машины с компьютерным управлением, которые копируют сами себя.
Компьютерная безопасность: Многие проблемы компьютерной безопасности вызваны самовоспроизводящимися компьютерными программами, которые заражают компьютеры - компьютерные черви и компьютерные вирусы.
В параллельные вычисления, требуется много времени, чтобы вручную загрузить новую программу на каждый узел большого компьютерный кластер или же распределенных вычислений система. Автоматическая загрузка новых программ с помощью мобильные агенты может сэкономить системному администратору много времени и предоставить пользователям свои результаты в гораздо более быстром временном интервале с минимальным хронометрическим воздействием, если они не выйдут из-под контроля, по сравнению с серийный процессы, которые находятся под лучшим контролем, но, как правило, гораздо менее эффективны во времени, что делает их неэффективность более заметной, особенно когда используется хронограф или другой аналогичный инструмент для измерения истекшего хронометрия.

В промышленности

Исследование космоса и производство

Цель самовоспроизведения в космических системах - использовать большие количества вещества с малой стартовой массой. Например, автотрофный Самовоспроизводящаяся машина может покрыть луну или планету солнечными элементами и передавать энергию на Землю с помощью микроволн. Оказавшись на месте, то же оборудование, которое построило само, могло 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 являются автотрофными, они являются наиболее сложными и сложными из известных репликаторов. Они также считаются наиболее опасными, поскольку не требуют участия человека для воспроизводства.

Классическим теоретическим исследованием репликаторов в космосе является 1980 год. НАСА исследование автотрофных лязгающих репликаторов под редакцией Роберт Фрейтас.^[11]

Большая часть исследования дизайна была связана с простой и гибкой химической системой для обработки лунных реголит, а также различия между соотношением элементов, необходимых для репликатора, и соотношениями, доступными в реголите. Ограничивающим элементом был Хлор, важный элемент для обработки реголита для Алюминий. Хлор очень редко встречается в лунном реголите, и значительно более высокая скорость его воспроизводства может быть обеспечена за счет импорта небольших количеств.

В эталонном дизайне были указаны небольшие электрические тележки с компьютерным управлением, движущиеся по рельсам. У каждой тележки могла быть простая рука или небольшая лопата бульдозера. робот.

Энергия будет обеспечиваться «навесом» из солнечные батареи поддерживается на столбах. Другая техника могла работать под навесом.

А "Кастинг робот "использовал бы роботизированную руку с несколькими инструментами для лепки, чтобы сделать штукатурка формы. Гипсовые формы легко изготавливать, из них получаются точные детали с хорошей обработкой поверхности. Затем робот будет отливать большую часть деталей либо из непроводящей расплавленной породы (базальт ) или очищенные металлы. An электрический печь расплавил материалы.

Предполагалось, что для производства компьютеров и электронных систем будет предложена более сложная «фабрика микросхем», но разработчики также заявили, что было бы целесообразно отправлять микросхемы с Земли, как если бы они были «витаминами».

Молекулярное производство

Нанотехнологи в частности, верят, что их работа, скорее всего, не достигнет состояния зрелости, пока люди не создадут самовоспроизводящийся ассемблер из нанометр размеры [1].

Эти системы существенно проще автотрофных систем, поскольку они снабжены очищенным сырьем и энергией. Им не нужно их воспроизводить. Это различие лежит в основе некоторых споров о том, молекулярное производство возможно или нет. Многие авторитеты, которые считают это невозможным, явно ссылаются на источники сложных автотрофных самовоспроизводящихся систем. Многие официальные лица, которые считают это возможным, явно ссылаются на источники более простых самосборных систем, которые были продемонстрированы. А пока конструктор Лего -созданный автономный робот, способный следовать по заданному маршруту и собирать точную копию самого себя, начиная с четырех сторонних компонентов, был экспериментально продемонстрирован в 2003 году. [2].

Простого использования репликативных способностей существующих клеток недостаточно из-за ограничений в процессе биосинтез белка (также см. 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, способные к самовоспроизведению, и этот процесс может дать новые типы 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 соединений.^[12]^[13]

Для обсуждения других химических основ гипотетических самовоспроизводящихся систем см. альтернативная биохимия.