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 , dados los 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 al comandar la maquinaria reproductiva de las células a través de un proceso de infección. Las proteínas priónicas dañinas pueden replicarse convirtiendo proteínas normales en formas rebeldes. [1] 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 variación genética y creará variantes de sí mismo. Estas variantes estarán sujetas a la selección natural , ya que algunas sobrevivirán mejor en su entorno actual que otras y las superarán en número.
Las primeras investigaciones de John von Neumann [2] establecieron que los replicadores tienen varias partes:
Puede haber excepciones a este patrón, aunque casi todos los ejemplos conocidos se adhieren a él. Los científicos han estado cerca de construir ARN que se pueda copiar en un "entorno" que es una solución de monómeros de ARN y transcriptasa, pero estos sistemas se caracterizan más exactamente como "replicación asistida" que como "autorreplicación". En 2021, los investigadores lograron construir un sistema con dieciséis secuencias de ADN especialmente diseñadas. Cuatro de ellas se pueden unir entre sí (mediante apareamiento de bases) en un orden determinado siguiendo una plantilla de cuatro secuencias ya unidas, cambiando la temperatura hacia arriba y hacia abajo. De este modo, el número de copias de la plantilla aumenta en cada ciclo. No se necesita ningún agente externo como una enzima, pero el sistema debe recibir un reservorio de las dieciséis secuencias de ADN. [3]
El caso más simple posible es que sólo exista un genoma. Sin alguna especificación de los pasos de autorreproducción, un sistema de sólo genoma probablemente se caracterice mejor como algo así como un cristal .
La autorreplicación es una característica fundamental de la vida. Se ha propuesto que la autorreplicación surgió en la evolución de la vida cuando una molécula similar a un polinucleótido de doble cadena (posiblemente como el ARN ) se disoció en polinucleótidos de cadena sencilla y cada uno de estos actuó como plantilla para la síntesis de una cadena complementaria produciendo dos copias de doble cadena. [4] En un sistema como este, los replicadores dúplex individuales con diferentes secuencias de nucleótidos podrían competir entre sí por los recursos de mononucleótidos disponibles, iniciando así la selección natural para las secuencias más "aptas". [4] La replicación de estas formas de vida tempranas probablemente fue altamente inexacta produciendo mutaciones que influyeron en el estado de plegamiento de los polinucleótidos, afectando así las propensiones a la asociación de cadenas (promoviendo la estabilidad) y disociación (permitiendo la replicación del genoma). Se ha propuesto que la evolución del orden en los sistemas vivos es un ejemplo de un principio fundamental de generación de orden que también se aplica a los sistemas físicos. [5]
Investigaciones recientes [6] han comenzado a categorizar a los replicadores, a menudo basándose en la cantidad de apoyo que requieren.
El espacio de diseño para los replicadores de máquinas es muy amplio. Un estudio exhaustivo [7] 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.
En informática, un quine es un programa informático autorreproductor que, al ejecutarse, 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 consiste en escribir un programa que haga una copia de cualquier flujo de datos al que se dirija y luego lo dirija a sí mismo. En este caso, el programa se trata como código ejecutable y como datos que se deben 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 ni otros resultados. Por lo tanto, el resultado es el mismo que el código fuente, por lo que el programa se reproduce a sí mismo de forma trivial.
En geometría, un mosaico autorreplicante es un patrón de mosaico en el que varias piezas congruentes se pueden unir para formar una pieza más grande que sea similar a la original. Este es un aspecto del campo de estudio conocido como teselación . El hexágono " esfinge " es el único pentágono autorreplicante conocido . [8] Por ejemplo, cuatro de estos pentágonos cóncavos se pueden unir para formar uno con el doble de dimensiones. [9] Solomon W. Golomb acuñó el término rep-tiles para los mosaicos autorreplicantes.
En 2012, Lee Sallows identificó las rep-tiles como un ejemplo especial de un conjunto de mosaicos autoensamblables o setiset. Un setiset 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 setisets en los que cada forma es distinta se denominan "perfectos". Un rep- n rep-tile es simplemente un setiset compuesto por n piezas idénticas.
Una forma de autorreplicación natural que no se basa en ADN o ARN ocurre en los cristales de arcilla . [10] La arcilla consiste en una gran cantidad de cristales pequeños, y la arcilla es un entorno que promueve el crecimiento de los cristales. Los cristales consisten en una red regular de átomos y pueden crecer si, por ejemplo, se colocan en una solución de agua que contenga 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 irregularidades cristalinas. Debido a que estas irregularidades pueden afectar la probabilidad de que un cristal se rompa para formar nuevos cristales, los cristales con tales irregularidades podrían incluso considerarse como si experimentaran un desarrollo evolutivo.
Un objetivo a largo plazo de algunas ciencias de la ingeniería es lograr un replicador de ruido , un dispositivo material que pueda autorreplicarse. La razón habitual es lograr un bajo costo por artículo, manteniendo al mismo tiempo la utilidad de un producto 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 de los productos manufacturados convencionales .
Un replicador artificial completamente nuevo es un objetivo razonable a corto plazo. Un estudio reciente de la NASA estimó que la complejidad de un replicador ruidoso es aproximadamente la de la CPU Pentium 4 de Intel . [11] Es decir, la tecnología se puede lograr con un grupo de ingeniería relativamente pequeño en un plazo comercial razonable y 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 replicativa de las células existentes son oportunos y pueden conducir fácilmente a conocimientos y avances importantes.
Una variación de la autorreplicación tiene relevancia práctica en la construcción de compiladores , donde ocurre un problema de arranque similar al de la autorreplicación natural. Un compilador ( fenotipo ) se puede aplicar al código fuente del propio compilador ( genotipo ) produciendo el compilador mismo. Durante el desarrollo del compilador, se utiliza una fuente modificada ( mutada ) para crear la siguiente generación del compilador. Este proceso difiere de la autorreplicación natural en que el proceso está dirigido por un ingeniero, no por el sujeto en sí.
Una actividad en el campo de la robótica es la autorreplicación de máquinas. Dado que todos los robots (al menos en la época moderna) tienen una buena cantidad de características iguales, un robot autorreplicante (o posiblemente una colmena de robots) necesitaría hacer lo siguiente:
A escala nanométrica , los ensambladores también podrían estar diseñados para autorreplicarse por sí mismos, lo que, a su vez, ha dado lugar a la versión " gris viscosa " del Armagedón , que aparece en las novelas de ciencia ficción Bloom y Prey .
El Foresight Institute ha publicado directrices para investigadores en autorreplicación mecánica. [12] Las directrices recomiendan que los investigadores utilicen varias técnicas específicas para evitar que los replicadores mecánicos se salgan de control, como por ejemplo el uso de una arquitectura de transmisión.
Para un artículo detallado sobre la reproducción mecánica en relación con la era industrial, consulte producción en masa .
Se han realizado investigaciones en las siguientes áreas:
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 autorreplicante autótrofa podría cubrir una luna o un planeta con células solares y transmitir la energía a la Tierra mediante microondas. Una vez instalada, la misma maquinaria que se construyó a sí misma también podría producir materias primas u objetos manufacturados, incluidos 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 regreso.
En general, estos sistemas, al ser autótrofos, son los replicadores más difíciles y complejos que se conocen. También se piensa que son los más peligrosos, ya que no requieren de intervención humana para reproducirse.
Un estudio teórico clásico sobre los replicadores en el espacio es el estudio de la NASA de 1980 sobre los replicadores autótrofos que hacen ruido, editado por Robert Freitas . [15]
Gran parte del estudio de diseño se centró en un sistema químico simple y flexible para procesar el regolito lunar y en las diferencias entre la proporción de elementos que necesita el replicador y las proporciones disponibles en el regolito. El elemento limitante era el cloro , un elemento esencial para procesar el regolito para obtener 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 raíles. Cada carro podía tener una mano simple o una pequeña pala excavadora, formando un robot básico .
La energía se obtendría mediante un "dosel" de células solares sostenido por pilares. El resto de la maquinaria podría funcionar bajo el dosel.
Un " robot de fundición " utilizaría un brazo robótico con algunas herramientas de esculpir para hacer moldes de yeso . Los moldes de yeso son fáciles de hacer y permiten obtener piezas precisas con buenos acabados superficiales. El robot luego moldearía la mayoría de las piezas a partir de roca fundida no conductora ( basalto ) o metales purificados. Un horno eléctrico fundiría los materiales.
Se especuló con una "fábrica de chips" más compleja para producir los sistemas informáticos y electrónicos, pero los diseñadores también dijeron que podría resultar práctico enviar los chips desde la Tierra como si fueran "vitaminas".
Los nanotecnólogos en particular creen que su trabajo probablemente no alcanzará 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 se les proporciona materia prima purificada y energía. No tienen que reproducirlas. Esta distinción es la raíz de parte de la controversia sobre si la fabricación molecular es posible o no. Muchas autoridades que la consideran imposible están citando claramente fuentes de sistemas autótrofos autorreplicantes complejos. Muchas de las autoridades que la consideran posible están citando claramente fuentes de sistemas autoensamblables mucho más simples, que han sido demostrados. 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, fue demostrado experimentalmente en 2003.[2]
La mera explotación de las capacidades replicativas de las células existentes no es suficiente, debido a las limitaciones en el proceso de biosíntesis de proteínas (véase 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 producir nuevos tipos de materiales. Demostraron que es posible replicar no sólo 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 estar asociadas con muchos tipos diferentes de especies químicas. [16] [17]
Para una discusión de otras bases químicas para sistemas autorreplicantes hipotéticos, véase bioquímica alternativa .
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