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 ambientes 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 sólo controlando la maquinaria reproductiva de las células mediante 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 autorreplicante 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.
Las primeras investigaciones de John von Neumann [2] establecieron que los replicadores tienen varias partes:
Pueden ser posibles excepciones a este patrón, aunque casi todos los ejemplos conocidos lo siguen. Los científicos han estado cerca de construir ARN que pueda copiarse en un "ambiente" que sea una solución de monómeros de ARN y transcriptasa, pero tales sistemas se caracterizan con mayor precisión como "replicación asistida" que como "autorreplicación". En 2021, los investigadores lograron construir un sistema con dieciséis secuencias de ADN especialmente diseñadas. Cuatro de ellos se pueden unir (mediante emparejamiento 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 contar con un depósito 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 parecido a un cristal .
La autorreplicación es una característica fundamental de la vida. Se propuso que la autorreplicación surgió en la evolución de la vida cuando una molécula similar a un polinucleótido bicatenario (posiblemente como ARN ) se disociaba en polinucleótidos monocatenarios y cada uno de estos actuaba como plantilla para la síntesis de una cadena complementaria produciendo dos copias de doble hebra. [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 "adecuadas". [4] La replicación de estas primeras formas de vida probablemente fue muy inexacta y produjo mutaciones que influyeron en el estado de plegamiento de los polinucleótidos, afectando así las propensiones a la asociación de cadenas (que promueve la estabilidad) y la disociación (que permite la replicación del genoma). Se ha propuesto que la evolución del orden en los sistemas vivos es un ejemplo de un principio fundamental generador de orden que también se aplica a los sistemas físicos. [5]
Investigaciones recientes [6] han comenzado a categorizar a los replicadores, a menudo en función de la cantidad de apoyo que necesitan.
El espacio de diseño para 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) Replicador Estructura, (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) Evolubilidad.
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, una 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 lo dirija hacia sí mismo. En este caso, el programa se trata como código ejecutable y como datos a 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 tanto, el resultado es el mismo que el código fuente, por lo que el programa se reproduce trivialmente a sí mismo.
En geometría, un mosaico autorreplicante es un patrón de mosaico en el que se pueden unir varios mosaicos congruentes para formar un mosaico más grande que es similar al original. Este es un aspecto del campo de estudio conocido como teselación . La " esfinge " hexiamond 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 los rep-tiles como una instancia especial de un conjunto o setiset de mosaicos automáticos . 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 de conjuntos en los que cada forma es distinta se denominan "perfectos". Un rep- n rep-tile es simplemente un conjunto compuesto por n piezas idénticas.
Una forma de autorreplicación natural que no se basa en ADN o ARN se produce en los cristales de arcilla . [10] La arcilla se compone de una gran cantidad de cristales pequeños y la arcilla es un entorno que promueve el crecimiento de los cristales. Los cristales constan de una red regular de átomos y pueden crecer si, por ejemplo, se colocan en una solución acuosa que contenga los componentes cristalinos; organizar automáticamente los átomos en el límite cristalino 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, incluso se podría considerar que los cristales con tales irregularidades experimentan un desarrollo evolutivo.
Un objetivo a largo plazo de algunas ciencias de la ingeniería es lograr un replicador ruidoso , un dispositivo material que pueda autorreplicarse. La razón habitual es lograr un bajo costo por artículo conservando al mismo tiempo 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 completamente novedoso es un objetivo razonable a corto plazo. Un estudio reciente de la NASA ubicó la complejidad de un replicador ruidoso aproximadamente en 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 por 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 se produce un problema de arranque similar al de la autorreplicación natural. Un compilador ( fenotipo ) se puede aplicar sobre 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 se diferencia de la autorreplicación natural en que el proceso está dirigido por un ingeniero, no por el sujeto mismo.
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 un buen número de las mismas características, un robot autorreplicante (o posiblemente una colmena de robots) necesitaría hacer lo siguiente:
A escala nanométrica , los ensambladores también podrían diseñarse para autorreplicarse por sus propios medios. Esto, a su vez, ha dado lugar a la versión " goo gris " de Armageddon , como 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 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 .
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 autótrofa autorreplicante podría cubrir una luna o un planeta con células solares y transmitir energía a la Tierra mediante microondas. Una vez instalada, la misma maquinaria que se construyó sola 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, 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 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 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 el regolito para el 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 simple mano o una pequeña pala topadora, formando un robot básico .
La energía sería proporcionada por un "dosel" de células solares sostenidas sobre pilares. La otra maquinaria podría funcionar bajo la marquesina.
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 fabricar y permiten obtener piezas precisas con buenos acabados superficiales. Luego, el robot moldearía la mayoría de las piezas a partir de roca fundida no conductora ( basalto ) o de metales purificados. Un horno eléctrico fundió los materiales.
Se especificó una "fábrica de chips" especulativa y 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 cuentan con materias primas purificadas y energía. No es necesario que los reproduzcan. 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 complejos sistemas autótrofos autorreplicantes. Muchas de las autoridades que lo consideran posible citan claramente fuentes de sistemas de autoensamblaje mucho más sencillos, que ya se han demostrado. Mientras tanto, en 2003 se demostró experimentalmente 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.
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 producir nuevos tipos de materiales. Han demostrado que es posible replicar no sólo moléculas como el ADN o el ARN celular, sino también estructuras discretas que, en principio, podrían adoptar muchas formas diferentes, tener muchas características funcionales diferentes y asociarse con muchos tipos diferentes de especies químicas. [16] [17]
Para una discusión de otras bases químicas para sistemas hipotéticos autorreplicantes, consulte bioquímica alternativa .
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