자기 복제

Self-replication
참고 항목:생물 생식
DNA의 분자구조

자기복제는 그 자체의 동일하거나 유사한 복제본을 만드는 역동적인 시스템의 어떤 행동이다.생물학적 세포는 적절한 환경이 주어진다면 세포분열에 의해 번식한다.세포분열 동안 DNA는 복제되고 번식이 진행되는 동안 자손에게 전달될 수 있다.생물학적 바이러스는 복제할 수 있지만, 감염 과정을 통해 세포의 생식 기계를 명령함으로써만 복제할 수 있다.해로운 프리온 단백질은 정상 단백질을 불량한 형태로 변형시킴으로써 복제할 수 있다.[1]컴퓨터 바이러스는 컴퓨터에 이미 존재하는 하드웨어와 소프트웨어를 사용하여 재생산한다.로봇공학에서의 자기복제는 공상과학 소설의 연구 영역이자 관심의 대상이었다.완벽한 복제(혼합)를 만들지 않는 자기복제 메커니즘은 유전적 변화를 경험할 것이고 그 자체의 변형을 만들 것이다.이러한 변종들은 자연선택의 대상이 될 것이다. 왜냐하면 어떤 변종들은 다른 변종들보다 현재의 환경에서 더 잘 살아남을 것이고 그들을 능가할 것이기 때문이다.

개요

이론

참고 항목:폰 노이만 보편 건설자

John von[2] Neumann의 초기 연구는 복제자가 다음과 같은 몇 가지 부분을 가지고 있다는 것을 입증했다.

  • 복제자의 코드화된 표현
  • 코드화된 표현을 복사하는 메커니즘
  • 복제자의 호스트 환경 내에서 시공에 영향을 미치는 메커니즘

이 패턴에 대한 예외는 아직 달성되지 않았지만 가능할 수 있다.예를 들어, 과학자들은 RNA 모노머와 성적 증명서의 해결책인 "환경"에서 복제될 수 있는 RNA를 구성하는데 근접해 왔다.이 경우 신체는 게놈이며, 전문화된 복사 메커니즘은 외부적이다.외부 복사 메커니즘의 요건은 아직 극복되지 않았으며, 그러한 시스템은 "자기 복제"보다 "보조 복제"로 더 정확하게 특징지어진다.그럼에도 불구하고, 2021년 3월, 연구원들은 이식 RNA의 예비 형태가 생명의 초기 발달, 즉 아비오젠시스에서 복제 분자 그 자체였을 수 있다는 증거를 보고했다.[3][4]

그러나 가장 간단한 경우는 게놈만이 존재한다는 것이다.자기 복제 단계의 일부 명세서가 없다면, 게놈 전용 시스템은 아마도 수정과 같은 것으로 더 잘 특징지어질 것이다.

자기 복제의 종류

최근의 연구는[5] 복제자를 분류하기 시작했는데, 복제자가 필요로 하는 지원의 양에 근거하는 경우가 많다.

  • 자연 복제자는 비인간의 원천으로부터 설계의 전부 또는 대부분을 얻는다.그러한 시스템들은 자연적인 생명체를 포함한다.
  • 자폐증 복제자들은 야생에서 자신을 복제할 수 있다.그들은 그들만의 재료를 채굴한다.비생물학적 자가영양 복제자는 인간에 의해 설계될 수 있고, 인간 제품에 대한 규격을 쉽게 받아들일 수 있을 것으로 추측된다.
  • 자가 생산 시스템은 금속 막대나 철사와 같은 산업용 사료에서 그들 자신의 복제품을 생산하는 추측된 시스템이다.
  • 자체 조립 시스템은 완성된 납품 부품으로부터 그들 자신의 복제품을 조립한다.그러한 시스템의 간단한 예는 거시적 규모에서 입증되었다.

기계 복제자를 위한 설계 공간은 매우 넓다.(2)복제 정보,(3)복제 기질,(4)모방범 구조(5)수동 부품,(6)능동 Subunits,(7)모방범 Energetics, 모방범 Kin(8)지금까지 로버트 프라이 타스와 랄프 해시에 의한 포괄적인 study[6],:(1)복제 제어 등 137설계 치수는 한다스의 범주로 그룹을 확인해 왔다.12포인트 전각.atics, (9) Replication 프로세스, (10) Replicator Performance, (11) 제품 구조 및 (12) Evolvability.

자가복제 컴퓨터 프로그램

주요 기사:Quine (컴퓨팅)

컴퓨터 과학에서 quine은 실행될 때 자체 코드를 출력하는 자가 재생산 컴퓨터 프로그램이다.예를 들어 Python 프로그래밍 언어의 Quine은 다음과 같다.

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

보다 사소한 접근법은 그것이 지시하는 어떤 데이터 흐름의 사본을 만들 프로그램을 작성한 다음 그것을 스스로 지시하는 것이다.이 경우 프로그램은 실행 가능한 코드와 조작할 데이터로 처리된다.이러한 접근방식은 생물학적 생물을 포함한 대부분의 자가복제 시스템에서 흔히 볼 수 있으며, 프로그램에 자신에 대한 완전한 설명을 포함시킬 필요가 없기 때문에 더 간단하다.

많은 프로그래밍 언어에서 빈 프로그램은 합법적이며 오류나 다른 출력을 생성하지 않고 실행된다.따라서 출력은 소스 코드와 같기 때문에 프로그램은 하찮은 자기 재생산이다.

자가복제 타일링

참고 항목:자기 유사성

기하학에서 자기복제 타일링은 여러 개의 합착 타일을 결합하여 원본과 유사한 더 큰 타일을 형성할 수 있는 타일 패턴이다.이것은 테셀레이션이라고 알려진 학문 분야의 한 측면이다."sphinx" hxiamond는 유일하게 알려진 자기복제 오각형이다.[7]예를 들어, 4개의 오목한 펜타곤을 함께 결합하여 두 배의 치수를 가진 펜타곤을 만들 수 있다.[8]솔로몬 W. 골롬은 자기복제 기울기를 위한 rep-tiles라는 용어를 만들었다.

2012년, 리 살로우는 자기 타일 세트나 세티셋의 특별한 예로서 rep-tile을 식별했다.순서 n의 집합은 n개의 형상 집합으로, 그들 자신의 더 큰 복제본을 형성하기 위해 n개의 다른 방법으로 조립될 수 있다.모든 모양이 뚜렷한 세티세트를 '완벽한'이라고 한다.rep-n rep-tile은 n개의 동일한 조각들로 구성된 세트일 뿐이다.

네 마리의 '스핑크스' 헤시아몽을 모아 또 다른 스핑크스를 만들 수 있다.
순서 4의 완벽한 세트

점토 결정 자가 복제

DNA나 RNA에 기초하지 않은 자연적 자기복제의 한 형태가 점토 결정에서 발생한다.[9]점토는 많은 수의 작은 결정체로 이루어져 있으며, 점토는 결정 성장을 촉진하는 환경이다.결정체는 원자의 규칙적인 격자로 구성되며, 예를 들어 결정 구성 요소를 포함하는 물 용액에 놓이면 성장할 수 있으며, 결정 경계에서 원자를 결정 형태로 자동 배치한다.결정에는 규칙적인 원자 구조가 깨지는 부조리가 있을 수 있고, 결정이 커지면 이러한 부조리가 전파되어 수정 부조리의 자기복제 형태를 만들 수도 있다.이러한 불규칙은 새로운 결정체를 형성하기 위해 결정체가 분해될 확률에 영향을 줄 수 있기 때문에, 그러한 불규칙을 가진 결정들은 진화적 발전을 겪는 것으로 간주될 수도 있다.

적용들

스스로 복제할 수 있는 물질적 장치인 클랙킹 복제기를 달성하는 것은 일부 공학 과학의 장기적인 목표다.통상적인 이유는 제조된 상품의 효용성을 유지하면서 품목당 낮은 비용을 달성하기 위함이다.많은 당국자들은 자기복제 품목의 원가가 목재나 기타 생물학적 물질의 중량 당 비용에 접근해야 한다고 말한다. 왜냐하면 자기복제는 재래식 공산품에서의 노동, 자본, 유통 비용을 회피하기 때문이다.

완전히 새로운 인공 복제자는 합리적인 단기 목표다.NASA의 한 연구는 최근 클랙킹 복제기의 복잡성을 인텔의 펜티엄 4 CPU의 복잡성에 초점을 맞췄다.[10]즉, 이 기술은 비교적 소규모의 엔지니어링 그룹을 합리적인 상업적 시간 규모로 합리적인 비용으로 달성할 수 있다.

현재 생명공학에 대한 뜨거운 관심과 그 분야의 높은 수준의 자금지원을 고려할 때, 기존 세포의 복제 능력을 이용하려는 시도는 시기적절하며, 중요한 통찰력과 발전으로 쉽게 이어질 수 있다.

자체 복제의 변화는 컴파일러 구조에서 실제적으로 관련이 있으며, 여기서 자연적 자기 복제와 유사한 부트스트래핑 문제가 발생한다.컴파일러(패노타입)는 컴파일러 자체를 생성하는 컴파일러의 자체 소스 코드(유전자형)에 적용할 수 있다.컴파일러 개발 중에 수정된(교정된) 소스를 사용하여 다음 세대의 컴파일러를 만든다.이 과정은 과정 자체가 아니라 엔지니어가 지시한다는 점에서 자연적 자기복제와는 다르다.

기계적 자기 복제

주요 기사:자기복제기

로봇 분야에서의 활동은 기계의 자기 복제다.모든 로봇(적어도 현대에 있는 로봇)은 동일한 기능을 상당히 많이 가지고 있기 때문에 자가복제 로봇(또는 로봇의 벌집)은 다음과 같은 작업을 할 필요가 있을 것이다.

  • 건설자재 획득
  • 가장 작은 부품과 사고 기구를 포함한 새로운 부품 제작
  • 일관된 전원 공급
  • 새 멤버 프로그래밍
  • 잘못하여 자손의 잘못을 고치다.

나노 규모로 조립자는 자신의 힘으로 자가 복제하도록 설계될 수도 있다.이는 결국 공상과학 소설인 블룸 앤 푸드(Bloom and Food)에 등장하는 '그레이 구(grey gu)' 버전의 아마겟돈(Amageddon)을 탄생시켰다.

선견지명연구소는 기계적인 자기복제 연구자들을 위한 가이드라인을 발표했다.[11]이 지침은 연구자들이 방송 아키텍처를 사용하는 것과 같이 기계 복제자가 통제 불능이 되는 것을 방지하기 위해 몇 가지 특정 기법을 사용할 것을 권고한다.

산업 시대와 관련된 기계적 재생산에 대한 자세한 기사는 대량 생산을 참조하십시오.

필드

연구는 다음과 같은 분야에서 이루어졌다.

  • 생물학: 유기체와 세포의 자연 복제와 복제자에 대한 연구, 인구 역학, 정족수 감지, 자기 만족 경로와 같은 하위 분야를 포함한 이들의 상호작용.이는 자가복제 기계에서 설계상의 어려움을 피하기 위한 중요한 지침이 될 수 있다.
  • 화학: 자기복제 연구는 일반적으로 특정 분자 집합이 집합 내에서 서로 복제하기 위해 어떻게 함께 작용하는지에 관한 것이다(종종 시스템 화학 분야의 일부).
  • 생화학: 체외 리보솜 자가복제라는 간단한 시스템은 시도되어 왔지만,[13] 2021년 1월 현재 연구실에서는 무기한 체외 리보솜 자가복제가 이루어지지 않고 있다.
  • 나노기술 또는 더 정확히 말하면 분자 나노기술은 나노 규모의 조립자를 만드는 것과 관련이 있다.자기복제가 없으면 분자기계의 자본과 조립비용은 불가능할 정도로 커진다.나노기술에 대한 많은 상향식 접근법은 생화학적 또는 화학적 자가조립을 이용한다.
  • 우주 자원: NASA는 우주 자원을 채굴하기 위한 자기복제 메커니즘을 개발하기 위해 많은 설계 연구를 후원해왔다.이러한 설계의 대부분은 자신을 복사하는 컴퓨터 제어 기계를 포함한다.
  • 기억 장치:밈에 대한 생각은 리처드 도킨스가 1976년 저서 이기적인 유전자(The Togicy Gene)에서 고안한 것으로, 관찰을 통해 호스트 마인드에서 다른 호스트 마인드로 복제되는 행동의 단위인 유전자의 인지적 등가물을 제안하였다.밈은 동물의 행동을 통해서만 전파될 수 있으며, 따라서 정보 바이러스와 유사하며 종종 바이러스라고 묘사된다.
  • 컴퓨터 보안:많은 컴퓨터 보안 문제는 컴퓨터를 감염시키는 컴퓨터 프로그램인 컴퓨터 웜과 컴퓨터 바이러스를 스스로 재생산하여 발생한다.
  • 병렬 컴퓨팅: 대형 컴퓨터 클러스터 또는 분산 컴퓨팅 시스템의 모든 노드에 새 프로그램을 로드하는 것은 시간이 많이 걸린다.모바일 에이전트를 사용하여 노드 간 코드를 자가 복제하면 시스템 관리자가 많은 시간을 절약할 수 있다.모바일 에이전트는 제대로 구현되지 않으면 컴퓨터 클러스터를 손상시킬 가능성이 있다.

산업분야에서

우주탐사 및 제조

우주 시스템에서 자기복제의 목표는 발사량이 적은 대량의 물질을 이용하는 것이다.예를 들어, 자생적 자기복제 기계는 달이나 행성을 태양 전지로 덮을 수 있고, 마이크로파를 사용하여 지구로 동력을 전달할 수 있다.일단 자리를 잡으면, 스스로 건설한 동일한 기계도 제품을 선적하기 위한 운송 시스템을 포함한 원재료나 제조된 물체를 생산할 수 있다.자기복제 기계의 또 다른 모델은 은하와 우주를 통해 자신을 복제하여 정보를 되돌려 보낼 것이다.

일반적으로 이러한 시스템은 자가영양적이기 때문에 가장 어렵고 복잡한 것으로 알려진 복제자들이다.그들은 또한 번식을 위해 인간의 어떠한 입력도 요구하지 않기 때문에 가장 위험한 것으로 여겨진다.

우주 복제자에 대한 고전적인 이론적 연구는 1980년 NASA가 로버트 프리타스에 의해 편집한 자폐성 클랭킹 복제자에 대한 연구다.[14]

설계 연구의 많은 부분은 달 퇴석 처리를 위한 간단하고 유연한 화학 시스템, 그리고 복제자가 필요로 하는 원소의 비율과 리오석에서의 사용 가능한 비율의 차이와 관련이 있었다.제한 요소는 알루미늄의 리골석을 처리하는 데 필수적인 요소인 염소였다.염소는 달의 리졸루에서 매우 드물며, 적은 양을 수입하면 훨씬 더 빠른 재생률을 보장할 수 있다.

기준 설계는 레일 위를 달리는 소형 컴퓨터 제어 전기 카트를 명시했다.각각의 카트는 간단한 손이나 작은 황소 도저 삽을 가지고 있어 기본적인 로봇을 형성할 수 있다.

전력은 기둥에 지지되는 태양전지의 "캐노피"에 의해 제공될 것이다.다른 기계들은 캐노피 아래를 달릴 수 있었다.

"캐스팅 로봇"은 석고 주형을 만들기 위해 몇 개의 조각 도구를 가진 로봇 팔을 사용할 것이다.석고 금형은 만들기 쉽고 표면 마감재가 좋은 정밀 부품을 만든다.그러면 로봇은 대부분의 부품을 비전도성 용융암(현무암)이나 정화된 금속으로 주조하게 된다.전기 오븐이 재료를 녹였다.

컴퓨터와 전자 시스템을 생산하기 위해 좀 더 복잡한 "칩 공장"이 지정되었지만, 설계자들은 또한 이 칩을 "비타민"인 것처럼 지구에서 배송하는 것이 실용적일 수 있다고 말했다.

분자제조

주요 기사:분자 나노기술 § 나노로봇 복제

특히 나노기술학자들은 인간이 나노미터 치수의 자가복제 조립체를 설계하기 전까지는 그들의 작업이 성숙 상태에 이르지 못할 것이라고 믿는다[1].

이러한 시스템은 정제된 공급원과 에너지를 제공하기 때문에 자가영양 시스템보다 상당히 간단하다.그들은 그것들을 재생산할 필요가 없다.이러한 구분은 분자 제조가 가능한지 아닌지에 대한 일부 논란의 근원이 된다.그것이 불가능하다고 생각하는 많은 당국자들은 분명 복잡한 자가 재생 시스템의 출처를 인용하고 있다.그것이 가능하다고 생각하는 많은 당국자들은 훨씬 더 간단한 자가 조립 시스템의 출처를 분명히 인용하고 있는데, 이것은 증명되었다.한편, 외부적으로 제공된 네 가지 구성 요소에서 시작하여 미리 정해진 트랙을 따라 정확한 카피를 조립할 수 있는 레고 제작 자율 로봇은 2003년에 실험적으로 입증되었다[2].

단백질 생합성 과정에서의 한계 때문에, 기존 세포의 복제 능력을 이용하는 것 만으로는 불충분하다(RNA의 목록도 참조).필요한 것은 훨씬 광범위한 합성 능력을 가진 완전히 새로운 복제자의 합리적 설계다.

2011년 뉴욕대 과학자들은 새로운 형태의 물질을 생산할 수 있는 잠재력을 지닌 공정인 자가복제가 가능한 인공 구조물을 개발했다.그들은 세포 DNA나 RNA와 같은 분자뿐만 아니라, 원칙적으로 여러 가지 다른 형태를 가정할 수 있고, 여러 가지 다른 기능적 특징을 가지고 있으며, 여러 가지 다른 종류의 화학종과 연관될 수 있는 이산형 구조물을 복제하는 것이 가능하다는 것을 입증했다.[15][16]

가상의 자기복제 시스템을 위한 다른 화학적 기반에 대한 설명은 대체 생화학을 참조하십시오.

참고 항목

참조

  1. ^ "'Lifeless' prion proteins are 'capable of evolution'". BBC News. 2010-01-01. Retrieved 2013-10-22.
  2. ^ von Neumann, John (1948). The Hixon Symposium. Pasadena, California. pp. 1–36.
  3. ^ Kühnlein, Alexandra; Lanzmich, Simon A.; Brun, Dieter (2021-03-02). "tRNA sequences can assemble into a replicator". eLife. 10. doi:10.7554/eLife.63431. PMC 7924937. Retrieved 2021-04-03.
  4. ^ Maximilian, Ludwig (2021-04-03). "Solving the Chicken-and-the-Egg Problem – "A Step Closer to the Reconstruction of the Origin of Life"". SciTechDaily. Retrieved 2021-04-03.
  5. ^ Freitas, Robert; Merkle, Ralph (2004). "Kinematic Self-Replicating Machines - General Taxonomy of Replicators". Retrieved 2013-06-29.
  6. ^ Freitas, Robert; Merkle, Ralph (2004). "Kinematic Self-Replicating Machines - Freitas-Merkle Map of the Kinematic Replicator Design Space (2003–2004)". Retrieved 2013-06-29.
  7. ^ 복제 방법을 표시하지 않는 이미지는 Eric W를 참조하십시오.와이스슈타인"스핑크스."Wolfram Web Resource에서 온.http://mathworld.wolfram.com/Sphinx.html
  8. ^ 자세한 그림은 Teach TILLINGS / TESSELLATIONs with Geo S핑크스 참조
  9. ^ "The idea that life began as clay crystals is 50 years old". bbc.com. 2016-08-24. Retrieved 2019-11-10.
  10. ^ "Modeling Kinematic Cellular Automata Final Report" (PDF). 2004-04-30. Retrieved 2013-10-22.
  11. ^ "Molecular Nanotechnology Guidelines". Foresight.org. Retrieved 2013-10-22.
  12. ^ Moulin, Giuseppone (2011). "Dynamic Combinatorial Self-Replicating Systems". Constitutional Dynamic Chemistry. Topics in Current Chemistry. Vol. 322. Springer. pp. 87–105. doi:10.1007/128_2011_198. ISBN 978-3-642-28343-7. PMID 21728135.
  13. ^ Li, Jun; Haas, Wilhelm; Jackson, Kirsten; Kuru, Erkin; Jewett, Michael C.; Fan, Z. Hugh; Gygi, Steven; Church, George M. (2017-07-21). "Cogenerating Synthetic Parts toward a Self-Replicating System". ACS Synthetic Biology. 6 (7): 1327–1336. doi:10.1021/acssynbio.6b00342. ISSN 2161-5063. OSTI 1348832.
  14. ^ Wikisource:우주 임무를 위한 고급 자동화
  15. ^ Wang, Tong; Sha, Ruojie; Dreyfus, Rémi; Leunissen, Mirjam E.; Maass, Corinna; Pine, David J.; Chaikin, Paul M.; Seeman, Nadrian C. (2011). "Self-replication of information-bearing nanoscale patterns". Nature. 478 (7368): 225–228. doi:10.1038/nature10500. PMC 3192504. PMID 21993758.
  16. ^ "Self-replication process holds promise for production of new materials". Science Daily. 2011-10-17. Retrieved 2011-10-17.
메모들