Auto-replicação - Self-replication

A autorreplicação é qualquer comportamento de um sistema dinâmico que produza a construção de uma cópia idêntica ou semelhante de si mesmo. As células biológicas , em ambientes adequados, reproduzem-se por divisão celular . Durante a divisão celular, o DNA é replicado e pode ser transmitido aos descendentes durante a reprodução . Os vírus biológicos podem se replicar , mas apenas comandando a maquinaria reprodutiva das células por meio de um processo de infecção. Proteínas príon prejudiciais podem se replicar convertendo proteínas normais em formas invasoras. Os vírus de computador se reproduzem usando o hardware e o software já presentes nos computadores. A autorreplicação em robótica tem sido uma área de pesquisa e um assunto de interesse na ficção científica . Qualquer mecanismo autorreplicante que não faça uma cópia perfeita ( mutação ) experimentará variação genética e criará variantes de si mesmo. Essas variantes estarão sujeitas à seleção natural , uma vez que algumas serão melhores em sobreviver em seu ambiente atual do que outras e as superarão.

Visão geral

Teoria

As primeiras pesquisas de John von Neumann estabeleceram que os replicadores têm várias partes:

  • Uma representação codificada do replicador
  • Um mecanismo para copiar a representação codificada
  • Um mecanismo para efetuar a construção dentro do ambiente hospedeiro do replicador

Exceções a esse padrão podem ser possíveis, embora nenhuma ainda tenha sido alcançada. Por exemplo, os cientistas chegaram perto de construir um RNA que pode ser copiado em um "ambiente" que é uma solução de monômeros de RNA e transcriptase. Nesse caso, o corpo é o genoma e os mecanismos especializados de cópia são externos. A necessidade de um mecanismo de cópia externa ainda não foi superada, e tais sistemas são mais precisamente caracterizados como "replicação assistida" do que "auto-replicação". No entanto, em março de 2021, os pesquisadores relataram evidências sugerindo que uma forma preliminar de transferência de RNA poderia ter sido uma molécula replicadora em si no início do desenvolvimento da vida, ou abiogênese .

No entanto, o caso mais simples possível é que existe apenas um genoma. Sem alguma especificação das etapas de auto-reprodução, um sistema apenas de genoma é provavelmente mais bem caracterizado como algo como um cristal .

Classes de autorreplicação

Pesquisas recentes começaram a categorizar os replicadores, geralmente com base na quantidade de suporte de que precisam.

  • Os replicadores naturais têm todos ou a maior parte de seus projetos de fontes não humanas. Esses sistemas incluem formas de vida naturais.
  • Os replicadores autotróficos podem se reproduzir "na natureza". Eles extraem seus próprios materiais. É conjecturado que replicadores autotróficos não biológicos poderiam ser projetados por humanos e poderiam facilmente aceitar especificações para produtos humanos.
  • Sistemas auto-reprodutivos são sistemas conjecturados que produziriam cópias de si mesmos a partir de matérias-primas industriais, como barras de metal e arame.
  • Os sistemas de automontagem reúnem cópias de si mesmos a partir das peças entregues acabadas. Exemplos simples de tais sistemas foram demonstrados em escala macro.

O espaço de design para replicadores de máquina é muito amplo. Um estudo abrangente até o momento por Robert Freitas e Ralph Merkle identificou 137 dimensões de design agrupadas em uma dúzia de categorias separadas, incluindo: (1) Controle de Replicação, (2) Informações de Replicação, (3) Substrato de Replicação, (4) Estrutura do Replicador, ( 5) Partes passivas, (6) Subunidades ativas, (7) Energética do replicador, (8) Cinemática do replicador, (9) Processo de replicação, (10) Desempenho do replicador, (11) Estrutura do produto e (12) Capacidade de evolução.

Um programa de computador que se auto-reproduz

Na ciência da computação, um quine é um programa de computador que se auto-reproduz que, quando executado, produz seu próprio código. Por exemplo, um quine na linguagem de programação Python é:

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

Uma abordagem mais trivial é escrever um programa que fará uma cópia de qualquer fluxo de dados para o qual seja direcionado e, em seguida, direcionará para si mesmo. Nesse caso, o programa é tratado como código executável e como dados a serem manipulados. Essa abordagem é comum na maioria dos sistemas autorreplicantes, incluindo a vida biológica, e é mais simples, pois não exige que o programa contenha uma descrição completa de si mesmo.

Em muitas linguagens de programação, um programa vazio é válido e é executado sem produzir erros ou outra saída. A saída é, portanto, a mesma que o código-fonte, portanto, o programa é trivialmente auto-reproduzido.

Ladrilhos auto-replicantes

Em geometria, um ladrilho auto-replicante é um padrão de ladrilho no qual vários ladrilhos congruentes podem ser unidos para formar um ladrilho maior semelhante ao original. Este é um aspecto do campo de estudo conhecido como mosaico . O hexiamond " esfinge " é o único pentágono auto-replicante conhecido . Por exemplo, quatro desses pentágonos côncavos podem ser unidos para formar um com o dobro das dimensões. Solomon W. Golomb cunhou o termo rep-tiles para telhas autorreplicantes.

Em 2012, Lee Sallows identificou rep-tiles como uma instância especial de um conjunto de tiles self-tiling ou setiset. Um setiset de ordem n é um conjunto de n formas que podem ser montadas de n maneiras diferentes de modo a formar réplicas maiores de si mesmas. Setisets em que cada forma é distinta são chamados de 'perfeitos'. Um rep- n rep-tile é apenas um setiset composto de n peças idênticas.

Quatro hexiamonds ' esfinge ' podem ser colocados juntos para formar outra esfinge.
Um perfeito setiset de ordem 4

Cristais de argila auto-replicantes

Uma forma de autorreplicação natural que não é baseada em DNA ou RNA ocorre em cristais de argila. A argila consiste em um grande número de pequenos cristais e a argila é um ambiente que promove o crescimento do cristal. Os cristais consistem em uma rede regular de átomos e são capazes de crescer se, por exemplo, colocados em uma solução de água contendo os componentes do cristal; organizando automaticamente os átomos na fronteira do cristal na forma cristalina. Os cristais podem ter irregularidades onde a estrutura atômica regular é quebrada e, quando os cristais crescem, essas irregularidades podem se propagar, criando uma forma de autorreplicação das irregularidades do cristal. Como essas irregularidades podem afetar a probabilidade de um cristal se quebrar para formar novos cristais, cristais com tais irregularidades podem até mesmo ser considerados em desenvolvimento evolutivo.

Formulários

É um objetivo de longo prazo de algumas ciências da engenharia obter um replicador retinindo , um dispositivo material que pode se auto-replicar. O motivo usual é atingir um baixo custo por item, mantendo a utilidade de um produto manufaturado. Muitas autoridades dizem que, no limite, o custo de itens autorreplicantes deve se aproximar do custo por peso da madeira ou outras substâncias biológicas, porque a autorreplicação evita os custos de trabalho , capital e distribuição em produtos manufaturados convencionais .

Um replicador artificial totalmente novo é uma meta razoável a curto prazo. A NASA estudo colocou recentemente a complexidade de um replicador de clanking em aproximadamente o da Intel 's Pentium 4 CPU. Ou seja, a tecnologia é alcançável com um grupo de engenharia relativamente pequeno em uma escala de tempo comercial razoável a um custo razoável.

Dado o grande interesse atual em biotecnologia e os altos níveis de financiamento nesse campo, as tentativas de explorar a capacidade replicativa das células existentes são oportunas e podem facilmente levar a descobertas e avanços significativos.

Uma variação da autorreplicação é de relevância prática na construção do compilador , onde um problema de bootstrapping semelhante ocorre como na autorreplicação natural. Um compilador ( fenótipo ) pode ser aplicado no código-fonte do próprio compilador ( genótipo ), produzindo o próprio compilador. Durante o desenvolvimento do compilador, uma fonte modificada ( mutada ) é usada para criar a próxima geração do compilador. Este processo difere da autorreplicação natural porque o processo é dirigido por um engenheiro, não pelo próprio sujeito.

Auto-replicação mecânica

Uma atividade na área de robôs é a autorreplicação de máquinas. Uma vez que todos os robôs (pelo menos nos tempos modernos) têm um bom número dos mesmos recursos, um robô autorreplicante (ou possivelmente uma colmeia de robôs) precisaria fazer o seguinte:

  • Obtenha materiais de construção
  • Fabrique novas peças, incluindo suas peças menores e aparato de pensamento
  • Fornece uma fonte de energia consistente
  • Programe os novos membros
  • erro corrija quaisquer erros na prole

Em uma escala nano , os montadores também podem ser projetados para se auto-replicar por conta própria. Isso, por sua vez, deu origem à versão " cinza gosma " do Armagedom , apresentada em romances de ficção científica como Bloom , Prey e Recursion .

O Foresight Institute publicou diretrizes para pesquisadores em autorreplicação mecânica. As diretrizes recomendam que os pesquisadores usem várias técnicas específicas para evitar que os replicadores mecânicos fiquem fora de controle, como o uso de uma arquitetura de broadcast .

Para um artigo detalhado sobre a reprodução mecânica no que se refere à era industrial, consulte a produção em massa .

Campos

A pesquisa ocorreu nas seguintes áreas:

  • Biologia : estudos de replicação natural de organismo e celular e replicadores, e sua interação, incluindo subdisciplinas como dinâmica populacional , detecção de quorum , vias de autofagia . Isso pode ser um guia importante para evitar dificuldades de projeto em máquinas autorreplicantes.
  • Química : os estudos de autorreplicação geralmente tratam de como um conjunto específico de moléculas pode agir em conjunto para se replicar dentro do conjunto (geralmente parte do campo da química de sistemas ).
  • Bioquímica : sistemas simples de auto-replicação ribossômica in vitro foram tentados, mas em janeiro de 2021, a auto-replicação ribossômica indefinida in vitro não foi alcançada em laboratório.
  • Nanotecnologia ou mais precisamente, nanotecnologia molecular está preocupada em fazer montadores em escala nano . Sem a autorreplicação, os custos de capital e de montagem das máquinas moleculares tornam-se impossivelmente grandes. Muitas abordagens ascendentes da nanotecnologia tiram proveito da automontagem bioquímica ou química.
  • Recursos espaciais: a NASA patrocinou uma série de estudos de design para desenvolver mecanismos de auto-replicação para extrair recursos espaciais. A maioria desses projetos inclui máquinas controladas por computador que se copiam.
  • Memética : A ideia de um meme foi cunhada por Richard Dawkins em seu livro de 1976, The Selfish Gene, onde ele propôs um equivalente cognitivo do gene; uma unidade de comportamento que é copiada de uma mente hospedeira para outra por meio da observação. Memes só podem se propagar por meio do comportamento animal e, portanto, são análogos aos vírus da informação e são frequentemente descritos como virais .
  • Segurança do computador : Muitos problemas de segurança do computador são causados ​​por programas de computador que se reproduzem e infectam computadores - worms e vírus de computador .
  • Computação paralela : carregar um novo programa em cada nó de um grande cluster de computador ou sistema de computação distribuída consome muito tempo. O uso de agentes móveis para auto-replicação de código de nó a nó pode economizar muito tempo para o administrador do sistema. Os agentes móveis têm o potencial de travar um cluster de computador se mal implementados.

Na industria

Exploração e fabricação do espaço

O objetivo da autorreplicação em sistemas espaciais é explorar grandes quantidades de matéria com uma massa de lançamento baixa. Por exemplo, uma máquina autotrófica que se auto-reproduz pode cobrir uma lua ou um planeta com células solares e irradiar energia para a Terra usando micro-ondas. Uma vez instalado, o mesmo maquinário que se construiu também pode produzir matéria-prima ou objetos manufaturados, incluindo sistemas de transporte para embarque dos produtos. Outro modelo de máquina autorreplicante se autocopiaria pela galáxia e pelo universo, enviando informações de volta.

Em geral, como esses sistemas são autotróficos, eles são os replicadores conhecidos mais difíceis e complexos. Eles também são considerados os mais perigosos, porque não requerem nenhuma entrada de seres humanos para se reproduzir.

Um estudo teórico clássico de replicadores no espaço é o estudo de 1980 da NASA sobre replicadores clancadores autotróficos, editado por Robert Freitas .

Muito do estudo de projeto estava preocupado com um sistema químico simples e flexível para processar o regolito lunar e as diferenças entre a proporção de elementos necessários ao replicador e as proporções disponíveis no regolito. O elemento limitante era o cloro , um elemento essencial para processar o regolito para o alumínio . O cloro é muito raro no rególito lunar, e uma taxa de reprodução substancialmente mais rápida poderia ser assegurada importando quantidades modestas.

O projeto de referência especificava pequenos carrinhos elétricos controlados por computador que rodavam sobre trilhos. Cada carroça poderia ter uma mão simples ou uma pequena pá bull-dozer, formando um robô básico .

A energia seria fornecida por uma "cobertura" de células solares apoiadas em pilares. As outras máquinas podem funcionar sob o dossel.

Um " robô de fundição " usaria um braço robótico com algumas ferramentas de escultura para fazer moldes de gesso . Os moldes de gesso são fáceis de fazer e produzem peças precisas com bons acabamentos de superfície. O robô então fundiria a maioria das peças de rocha fundida não condutiva ( basalto ) ou metais purificados. Um forno elétrico derreteu os materiais.

Uma especulativa e mais complexa "fábrica de chips" foi especificada para produzir o computador e os sistemas eletrônicos, mas os projetistas também disseram que pode ser prático enviar os chips da Terra como se fossem "vitaminas".

Manufatura molecular

Os nanotecnólogos, em particular, acreditam que seu trabalho provavelmente não alcançará um estado de maturidade até que os seres humanos projetem um montador auto-replicante de dimensões nanométricas [1] .

Esses sistemas são substancialmente mais simples do que os sistemas autotróficos, porque são fornecidos com matérias-primas e energia purificadas. Eles não precisam reproduzi-los. Essa distinção está na raiz de algumas controvérsias sobre se a fabricação molecular é possível ou não. Muitas autoridades que acham isso impossível estão claramente citando fontes para sistemas autotróficos complexos auto-replicantes. Muitas das autoridades que consideram isso possível estão claramente citando fontes para sistemas de automontagem muito mais simples, que foram demonstradas. Nesse ínterim, um robô autônomo construído em Lego capaz de seguir uma trilha predefinida e montar uma cópia exata de si mesmo, a partir de quatro componentes fornecidos externamente, foi demonstrado experimentalmente em 2003 [2] .

Explorar meramente as habilidades replicativas das células existentes é insuficiente, por causa das limitações no processo de biossíntese de proteínas (veja também a lista de RNA ). O que é necessário é o projeto racional de um replicador inteiramente novo com uma gama muito mais ampla de capacidades de síntese.

Em 2011, os cientistas da New York University desenvolveram estruturas artificiais que podem se auto-replicar, um processo que tem potencial para produzir novos tipos de materiais. Eles demonstraram que é possível replicar não apenas moléculas como DNA ou RNA celular, mas estruturas discretas que poderiam, em princípio, assumir muitas formas diferentes, ter muitas características funcionais diferentes e estar associadas a muitos tipos diferentes de espécies químicas.

Para uma discussão de outras bases químicas para sistemas hipotéticos autorreplicantes, consulte bioquímica alternativa .

Veja também

Referências

Notas