Autorreplicación

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 deshonestas.Los virus informáticos se reproducen utilizando el hardware y el 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 la selección natural, ya que algunas sobrevivirán mejor que otras en su entorno actual y las superarán.

Visión general

Teoría

Las primeras investigaciones de John von Neumann establecieron que los replicadores tienen varias partes:

• Una representación codificada del replicador.
• Un mecanismo para copiar la representación codificada
• Un mecanismo para efectuar la construcción dentro del entorno anfitrión del replicador.

Es posible que existan excepciones a este patrón, aunque todavía no se ha logrado ninguna. Por ejemplo, los científicos se han acercado a la construcción de ARN que se puede copiar en un "ambiente" 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. Aún no se ha superado el requisito de un mecanismo de copia externa, y dichos sistemas se caracterizan con mayor precisión como "replicación asistida" que como "autorreplicación". No obstante, en marzo de 2021, los investigadores informaron evidencia que sugiere que una forma preliminar de ARN de transferencia podría haber sido una molécula replicante en el desarrollo muy temprano de la vida, o abiogénesis.

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.

Clases de autorreplicación

Investigaciones recientes han comenzado a categorizar a los replicadores, a menudo en función de la cantidad de apoyo que requieren.

• Los replicadores naturales tienen todo o la mayor parte de su diseño de fuentes no humanas. Dichos sistemas incluyen formas de vida naturales.
• Los replicadores autótrofos pueden reproducirse "en la naturaleza". Ellos extraen sus propios materiales. Se conjetura que los replicadores autótrofos no biológicos podrían ser diseñados por humanos y podrían aceptar fácilmente las especificaciones de los productos humanos.
• Los sistemas autorreproductivos son sistemas conjeturados que producirían copias de sí mismos a partir de materias primas industriales como barras de metal y alambre.
• Los sistemas de autoensamblaje ensamblan copias de sí mismos a partir de piezas terminadas y entregadas. Se han demostrado ejemplos simples de tales sistemas a escala macro.

El espacio de diseño para replicadores de máquinas es muy amplio. Un estudio completo 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) Estructura del replicador, (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) Capacidad de evolución.

Un programa de computadora autorreplicante

En informática, un quine es un programa informático 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 se dirija y luego se 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. Por lo tanto, la salida es la misma que el código fuente, por lo que el programa se reproduce a sí mismo trivialmente.

Mosaico autorreplicante

En geometría, un mosaico autorreplicante es un patrón de mosaico en el que varios mosaicos congruentes se pueden unir 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. Por ejemplo, cuatro de estos pentágonos cóncavos se pueden unir para formar uno con el doble de dimensiones. Solomon W. Golomb acuñó el término mosaicos de reptiles para mosaicos autorreplicantes.

En 2012, Lee Sallows identificó los mosaicos de reptiles como una instancia especial de un conjunto o conjunto de mosaicos de mosaico automático. Un conjunto de orden n es un conjunto de n formas que se pueden ensamblar de n maneras diferentes para formar réplicas más grandes de sí mismas. Los conjuntos en los que cada forma es distinta se denominan 'perfectos'. Un rep- n rep-tile es solo un conjunto compuesto por n piezas idénticas.

Cristales de arcilla autorreplicantes

Una forma de autorreplicación natural que no se basa en el ADN o el ARN se produce en los cristales de arcilla. La arcilla consiste en una gran cantidad de pequeños cristales, y la arcilla es un entorno que promueve el crecimiento de cristales. Los cristales consisten en una red regular de átomos y pueden crecer si, por ejemplo, se colocan en una solución de agua que contiene los componentes del cristal; 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, se podría incluso considerar que los cristales con tales irregularidades experimentan un desarrollo evolutivo.

Aplicaciones

Es un objetivo a largo plazo de algunas ciencias de la ingeniería lograr un replicador ruidoso, un dispositivo material que pueda autorreplicarse. La razón habitual es lograr un bajo costo por artículo mientras se retiene la utilidad de un bien manufacturado. Muchas autoridades dicen que, en el límite, el costo de los artículos autorreplicantes 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 los productos manufacturados convencionales.

Un replicador artificial totalmente novedoso es un objetivo razonable a corto plazo. Un estudio de la NASA colocó recientemente la complejidad de un replicador ruidoso en aproximadamente la de la CPU Pentium 4 de Intel. Es decir, la tecnología se puede lograr con un grupo de ingeniería 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 del compilador, donde ocurre un problema de arranque similar al de la autorreplicación natural. Un compilador (fenotipo) se puede aplicar 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 difiere de la autorreplicación natural en que el proceso está dirigido por un ingeniero, no por el sujeto mismo.

Autorreplicación mecánica

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 una buena cantidad de las mismas características, un robot autorreplicante (o posiblemente una colmena de robots) tendría que hacer lo siguiente:

• Obtener materiales de construcción.
• Fabricar piezas nuevas, incluidas sus piezas más pequeñas y aparatos de pensamiento.
• Proporcionar una fuente de alimentación constante
• Programar a los nuevos miembros
• error corregir cualquier error en la descendencia

En una escala nanométrica, los ensambladores también podrían diseñarse para autorreplicarse por sus propios medios. Esto, a su vez, ha dado lugar a la versión "grey goo" de Armageddon, como aparece en las novelas de ciencia ficción Bloom and Prey.

El Foresight Institute ha publicado directrices para investigadores en autorreplicación mecánica. Las pautas 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 relación con la era industrial, consulte producción en masa.

Campos

Se han realizado investigaciones en las siguientes áreas:

• Biología: estudios de replicación y replicadores naturales de organismos y células, y su interacción, incluidas subdisciplinas como la dinámica de poblaciones, la detección de quórum y las vías de autofagia. Estos pueden ser una guía importante para evitar dificultades de diseño en maquinaria autorreplicante.
• Química: los estudios de autorreplicación suelen tratar sobre cómo un conjunto específico de moléculas pueden actuar juntas para replicarse entre sí dentro del conjunto (a menudo parte del campo de la química de sistemas).
• Bioquímica: se han intentado sistemas simples de autorreplicación ribosomal in vitro, pero a partir de enero de 2021, no se ha logrado una autorreplicación ribosomal in vitro indefinida en el laboratorio.
• La nanotecnología o, más precisamente, la nanotecnología molecular se ocupa de fabricar ensambladores a escala nanométrica. Sin la autorreplicación, los costos de capital y ensamblaje de las máquinas moleculares se vuelven imposiblemente grandes. Muchos enfoques ascendentes de la nanotecnología aprovechan el autoensamblaje bioquímico o químico.
• Recursos espaciales: la NASA ha patrocinado una serie de estudios de diseño para desarrollar mecanismos autorreplicantes para extraer recursos espaciales. La mayoría de estos diseños incluyen maquinaria controlada por computadora que se copia a sí misma.
• Memética: la idea de un meme fue acuñada por Richard Dawkins en su libro de 1976 The Selfish Gene, donde propuso un equivalente cognitivo del gen; una unidad de comportamiento que se copia de una mente anfitriona a otra a través de la observación. Los memes solo pueden propagarse a través del comportamiento animal y, por lo tanto, son análogos a los virus de información y, a menudo, se describen como virales.
• Seguridad informática: muchos problemas de seguridad informática son causados ​​por programas informáticos que se reproducen a sí mismos y que infectan las computadoras: gusanos informáticos y virus informáticos.
• Cómputo paralelo: cargar un nuevo programa en cada nodo de un gran clúster de computadoras o sistema de cómputo distribuido lleva mucho tiempo. El uso de agentes móviles para autorreplicar código de nodo a nodo puede ahorrarle mucho tiempo al administrador del sistema. Los agentes móviles tienen el potencial de colapsar un clúster de computadoras si se implementan de manera deficiente.

En la industria

Exploración espacial y fabricación.

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 autorreplicante 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 construyó a sí misma también podría producir materias primas u objetos manufacturados, incluidos los sistemas de transporte para enviar los productos. Otro modelo de máquina autorreplicante se copiaría a sí misma a través de la galaxia y el universo, enviando información de vuelta.

En general, dado que estos sistemas son autótrofos, son los replicadores más difíciles y complejos que se conocen. 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 la NASA de 1980 sobre replicadores autótrofos que hacen ruido, editado por Robert Freitas.

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, elemento esencial para procesar regolito para 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 desplazaban sobre rieles. Cada carro podría tener una mano simple o una pequeña pala excavadora, formando un robot básico.

La energía sería proporcionada por un "pabellón" de células solares apoyadas en pilares. La otra maquinaria podría funcionar bajo el 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 moldearía 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 la computadora y los sistemas electrónicos, pero los diseñadores también dijeron que podría resultar práctico enviar los chips desde la Tierra como si fueran "vitaminas".

Fabricación molecular

Los nanotecnólogos en particular creen que es probable que su trabajo no alcance 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 están provistos de materias primas y energía purificadas. No tienen que reproducirlos. Esta distinción está en la raíz de parte de la controversia sobre si la fabricación molecular es posible o no. Muchas autoridades que lo encuentran imposible están citando claramente fuentes de sistemas autorreplicantes autótrofos complejos. Muchas de las autoridades que lo encuentran posible citan claramente fuentes de sistemas de autoensamblaje mucho más simples, que se han demostrado. 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 replicativas de las células existentes es insuficiente debido a las limitaciones en el proceso de biosíntesis de proteínas (consulte 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, científicos de la Universidad de Nueva York desarrollaron estructuras artificiales que pueden autorreplicarse, un proceso que tiene el potencial de generar nuevos tipos de materiales. Han demostrado que es posible replicar no solo moléculas como el ADN o el ARN celular, sino estructuras discretas que, en principio, podrían asumir muchas formas diferentes, tener muchas características funcionales diferentes y asociarse con muchos tipos diferentes de especies químicas.

Para una discusión de otras bases químicas para sistemas autorreplicantes hipotéticos, consulte bioquímica alternativa.