Autorreplicación

Las primeras investigaciones de John von Neumann ^{[ 2 ]} 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.

Si bien casi todos los ejemplos conocidos se ajustan a este patrón, pueden existir excepciones. Los científicos se han acercado a la construcción de ARN que puede copiarse en un "ambiente" compuesto por una solución de monómeros de ARN y transcriptasa, pero estos 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 estas secuencias pueden unirse (mediante el apareamiento de bases) en un orden determinado, siguiendo una plantilla de cuatro secuencias ya unidas, mediante variaciones de temperatura. De esta forma, aumenta el número de copias de la plantilla en cada ciclo. No se requiere ningún agente externo, como una enzima, pero el sistema debe contar con una reserva de las dieciséis secuencias de ADN. ^{[ 3 ]}

El caso más simple posible es que solo exista un genoma. Sin alguna especificación de los pasos de autorreproducción, un sistema que solo contiene un genoma probablemente se caracteriza 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 de doble cadena (posiblemente como el ARN ) se disoció en polinucleótidos de cadena simple, 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 podían competir entre sí por los recursos de mononucleótidos disponibles, iniciando así la selección natural de las secuencias más "aptas". ^{[ 4 ]} La replicación de estas primeras formas de vida probablemente era muy imprecisa, produciendo mutaciones que influían en el estado de plegamiento de los polinucleótidos, afectando así las propensiones a la asociación de cadenas (promoviendo la estabilidad) y a la 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 los replicadores, a menudo en función de la cantidad de apoyo que requieren.

• Los sistemas de replicación natural obtienen su diseño, total o parcialmente, de fuentes no humanas. Dichos sistemas incluyen formas de vida naturales.
• Los replicadores autótrofos pueden reproducirse en la naturaleza. Extraen sus propios materiales. Se conjetura que los humanos podrían diseñar replicadores autótrofos no biológicos, los cuales podrían aceptar fácilmente las especificaciones de productos humanos.
• Los sistemas autorreproductivos son sistemas hipotéticos que, según se ha conjeturado, producirían copias de sí mismos a partir de materias primas industriales como barras de metal y alambre.
• Los sistemas autoensamblables crean copias de sí mismos a partir de piezas terminadas y entregadas. Se han demostrado ejemplos sencillos de estos sistemas a escala macroscópica.

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) 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) Evolucionabilidad.

En informática, un quine es un programa informático autorreplicante 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 sencillo consiste en escribir un programa que copie cualquier flujo de datos que reciba y, a continuación, lo redirija hacia sí mismo. En este caso, el programa se trata tanto como código ejecutable como datos que se pueden manipular. Este enfoque es común en la mayoría de los sistemas autorreplicantes, incluidos los biológicos, 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 válido y se ejecuta sin producir errores ni ninguna otra salida. Por lo tanto, la salida es la misma que la del código fuente, lo que hace que el programa sea fácilmente autorreproducible.

En geometría, un teselado autorreplicante es un patrón de teselado en el que varias teselas congruentes se pueden unir para formar una tesela más grande que es similar a la original. Este es un aspecto del campo de estudio conocido como teselación . El hexiamond " 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 teselados autorreplicantes.

En 2012, Lee Sallows identificó las rep-tiles como un caso especial de un conjunto de teselas 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". Una rep-tile de orden n 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 cristalino . Los cristales consisten en una red regular de átomos y pueden crecer si, por ejemplo, se colocan en una solución acuosa que contiene los componentes cristalinos; reordenando automáticamente los átomos en el límite del cristal para formar la forma cristalina. Los cristales pueden tener irregularidades donde la estructura atómica regular se rompe, 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 incluso podrían considerarse que experimentan un desarrollo evolutivo.

Un objetivo a largo plazo de algunas disciplinas de la ingeniería es lograr un replicador mecánico , un dispositivo material capaz de autorreplicarse. La razón principal es conseguir un bajo coste por unidad manteniendo la utilidad de un producto manufacturado. Muchos expertos afirman que, en el límite, el coste de los objetos autorreplicantes debería aproximarse al coste por peso de la madera u otras sustancias biológicas, ya que la autorreplicación evita los costes de mano de obra , capital y distribución propios de los productos manufacturados convencionales .

Un replicador artificial totalmente novedoso es un objetivo razonable a corto plazo. Un estudio reciente de la NASA estimó la complejidad de un replicador de este tipo en un nivel similar al de la CPU Pentium 4 de Intel . ^{[ 11 ]} Es decir, la tecnología es factible 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 importantes descubrimientos y avances.

Una variante de la autorreplicación tiene relevancia práctica en la construcción de compiladores , donde se presenta un problema de arranque similar al de la autorreplicación natural. Un compilador ( fenotipo ) puede aplicarse a su propio código fuente ( genotipo ), generando así el compilador mismo. Durante el desarrollo del compilador, se utiliza un código fuente modificado ( mutado ) para crear la siguiente generación. Este proceso se diferencia de la autorreplicación natural en que está dirigido por un ingeniero, no por el propio compilador.

El objetivo de la autorreplicación en sistemas espaciales es aprovechar grandes cantidades de materia con una masa de lanzamiento reducida. Por ejemplo, una máquina autorreplicante autótrofa 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 a sí misma podría producir materias primas u objetos manufacturados, incluyendo 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 conocidos más difíciles y complejos. También se consideran los más peligrosos, ya que no requieren ningún aporte de seres humanos para reproducirse.

Un estudio teórico clásico sobre replicadores en el espacio es el estudio de la NASA de 1980 sobre replicadores autotróficos con sonido metálico, 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 necesarios para el replicador y las proporciones disponibles en el regolito. El elemento limitante era el cloro , esencial para procesar el regolito y obtener aluminio . El cloro es muy escaso en el regolito lunar, y se podría asegurar una tasa de reproducción considerablemente más rápida importando pequeñas cantidades.

El diseño de referencia especificaba pequeños carros eléctricos controlados por computadora que se desplazaban sobre rieles. Cada carro podía tener una simple mano o una pequeña pala de excavadora, formando así un robot básico .

La energía sería suministrada por una "cubierta" de células solares sostenidas por pilares. El resto de la maquinaria podría funcionar bajo dicha cubierta.

Un robot de fundición utilizaría un brazo robótico con algunas herramientas de modelado para crear moldes de yeso . Estos moldes son fáciles de fabricar y permiten obtener piezas precisas con un buen acabado superficial. El robot fundiría la mayoría de las piezas a partir de roca fundida no conductora ( basalto ) o metales purificados. Un horno eléctrico fundiría 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 .

Estos sistemas son sustancialmente más simples que los sistemas autotróficos, ya que se les proporcionan materias primas purificadas y energía. No necesitan reproducirlas. Esta distinción es la raíz de parte de la controversia sobre si la fabricación molecular es posible o no. Muchos expertos que la consideran imposible citan claramente fuentes de sistemas autotróficos autorreplicantes complejos. Muchos de los expertos que la consideran posible citan claramente fuentes de sistemas autoensamblables mucho más simples, que ya han sido demostrados. Mientras tanto, en 2003 se demostró experimentalmente un robot autónomo construido con Lego capaz de seguir una ruta preestablecida y ensamblar una copia exacta de sí mismo a partir de cuatro componentes externos.

No basta con explotar las capacidades replicativas de las células existentes, debido a las limitaciones del proceso de biosíntesis de proteínas .

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 capaces de autorreplicarse, un proceso con el potencial de generar nuevos tipos de materiales. Demostraron que es posible replicar no solo moléculas como el ADN o el ARN celular, sino también estructuras discretas que, en principio, podrían adoptar diversas formas, poseer múltiples funciones y estar asociadas a diversos tipos de especies químicas. ^{[ 16 ] [ 17 ]}