自己複製

ジョン・フォン・ノイマン^{[ 2 ]}による初期の研究では、複製子にはいくつかの部分があることが確立された。

• レプリケーターのコード化された表現
• 符号化された表現をコピーするメカニズム
• レプリケーターの宿主環境内で構築を実行するためのメカニズム

このパターンには例外があるかもしれないが、既知の例のほとんどすべてがこのパターンに従っている。科学者たちは、 RNAモノマーと転写酵素の溶液である「環境」で複製できるRNAの構築に近づいているが、このようなシステムは「自己複製」よりも「補助複製」と表現する方がより正確である。2021年、研究者たちは特別に設計された16個のDNA配列を持つシステムの構築に成功した。これらのうち4個は、すでに連結された4つの配列のテンプレートに従って、温度を上げ下げすることで、特定の順序で（塩基対形成によって）連結することができる。このようにして、各サイクルでテンプレートのコピー数が増える。酵素などの外部因子は必要ないが、システムには16個のDNA配列の貯蔵庫を供給する必要がある。^{[ 3 ]}

最も単純なケースは、ゲノムのみが存在する場合である。自己複製過程を具体的に規定しない限り、ゲノムのみのシステムは、おそらく結晶のようなものとして捉えるのが適切だろう。

自己複製は生命の基本的な特徴である。自己複製は、二本鎖ポリヌクレオチド（おそらくRNAのようなもの）に似た分子が一本鎖ポリヌクレオチドに解離し、それぞれが相補鎖合成の鋳型として機能して2つの二本鎖コピーを生成したときに生命の進化において出現したと提唱されている。^{[ 4 ]} このようなシステムでは、異なるヌクレオチド配列を持つ個々の二本鎖複製子が利用可能なモノヌクレオチド資源をめぐって互いに競合し、最も「適応した」配列に対する自然選択が開始される可能性がある。^{[ 4 ]} これらの初期生命体の複製は非常に不正確であった可能性が高く、ポリヌクレオチドの折り畳み状態に影響を与える突然変異を生じさせ、それによって鎖結合（安定性を促進）と解離（ゲノム複製を可能にする）の傾向に影響を与えた。生命システムの秩序の進化は、物理システムにも適用される基本的な秩序生成原理の一例であると提唱されている。^{[ 5 ]}

最近の研究^{[ 6 ]}では、複製子を分類し始めており、多くの場合、必要なサポートの量に基づいて分類している。

• 自然界に存在する複製装置は、その設計の全部または大部分が人間以外の生物に由来する。こうしたシステムには、自然界の生命体が含まれる。
• 独立栄養複製体は「自然環境下」で自己複製することができる。それらは自らの材料を採掘する。非生物的な独立栄養複製体は人間によって設計可能であり、人間の製品の仕様を容易に受け入れることができると推測されている。
• 自己複製システムとは、金属棒やワイヤーなどの工業原料から自身のコピーを作り出すと推測されるシステムである。
• 自己組織化システムは、完成した部品から自己複製体を組み立てる。このようなシステムの単純な例は、マクロスケールで実証されている。

機械レプリケーターの設計空間は非常に広い。ロバート・フレイタスとラルフ・マークルによるこれまでの包括的な研究^{[ 7 ]}では、(1)複製制御、(2)複製情報、(3)複製基質、(4)レプリケーター構造、(5)受動部品、(6)能動サブユニット、(7)レプリケーターのエネルギー、(8)レプリケーターの運動学、(9)複製プロセス、(10)レプリケーターの性能、(11)製品構造、(12)進化可能性など、12の別々のカテゴリに分類された137の設計次元が特定されている。

コンピュータ科学において、クワインとは、実行されると自身のコードを出力する自己複製型のコンピュータプログラムのことである。例えば、Pythonプログラミング言語におけるクワインは次のようになる。

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

より単純なアプローチとしては、指定されたデータストリームのコピーを作成し、それを自身に送信するプログラムを作成する方法がある。この場合、プログラムは実行可能なコードであると同時に、操作対象のデータとしても扱われる。このアプローチは、生物を含むほとんどの自己複製システムで一般的であり、プログラム自体に完全な記述を含める必要がないため、より簡便である。

多くのプログラミング言語では、空のプログラムは有効であり、エラーやその他の出力を生成することなく実行されます。したがって、出力はソースコードと同じであるため、プログラムは自明に自己複製します。

幾何学において、自己複製タイリングとは、複数の合同なタイルを結合して元のタイルと類似したより大きなタイルを形成できるタイリングパターンのことです。これは、テセレーションとして知られる研究分野の側面です。「スフィンクス」六角形は、唯一知られている自己複製五角形です。^{[ 8 ]} 例えば、このような凹五角形を4つ結合して、2倍の大きさの1つを作ることができます。^{[ 9 ]}ソロモン・W・ゴロンブは、自己複製タイリングをレプタイルと名付けました。

2012年、リー・サローズは、レプタイルを自己タイリングタイルセット（セティセット）の特殊な例として特定した。n次のセティセットとは、 n個の図形をn通りの異なる方法で組み立てて、より大きな複製を形成できるセットである。すべての図形が異なるセティセットは「完全」と呼ばれる。レプnレプタイルは、n個の同一のピースで構成されたセティセットである。

DNAやRNAに基づかない自然な自己複製の一形態は、粘土結晶で起こる。^{[ 10 ]}粘土は多数の小さな結晶から成り、粘土は結晶の成長を促進する環境である。結晶は規則的な原子格子から成り、例えば結晶成分を含む水溶液中に置かれると成長することができる。結晶境界の原子が自動的に結晶形に配列される。結晶には規則的な原子構造が壊れている不規則性がある場合があり、結晶が成長すると、これらの不規則性が伝播し、結晶の不規則性の自己複製の一形態が生まれる可能性がある。これらの不規則性は結晶が分裂して新しい結晶を形成する確率に影響を与える可能性があるため、このような不規則性を持つ結晶は進化的な発達を遂げていると考えることもできる。

自己複製可能な物質装置である「カチャカチャ音を立てるレプリケーター」の実現は、一部の工学分野における長期目標である。その主な目的は、製造品としての有用性を維持しながら、1個あたりのコストを低く抑えることにある。多くの専門家は、自己複製によって従来の製造品における労働力、資本、流通といったコストが不要になるため、最終的には自己複製品のコストは木材やその他の生物物質の重量あたりのコストに近づくはずだと述べている。

全く新しい人工レプリケーターは、現実的な短期目標である。NASAの最近の研究では、ガタガタ音を立てるレプリケーターの複雑さは、インテルのPentium 4 CPUとほぼ同等であるとされている。^{[ 11 ]} つまり、この技術は、比較的小規模なエンジニアリンググループで、妥当な商業的期間と妥当なコストで実現可能である。

現在、バイオテクノロジーへの関心が高まり、この分野への資金投入も多額に上ることを考えると、既存の細胞の複製能力を利用しようとする試みは時宜を得たものであり、重要な知見や進歩につながる可能性が高い。

自己複製の一種は、コンパイラ構築において実用的な意義を持つ。コンパイラ構築では、自然界における自己複製と同様のブートストラップ問題が発生する。コンパイラ（表現型）は、コンパイラ自身のソースコード（遺伝子型）に適用され、コンパイラ自体が生成される。コンパイラ開発中は、修正された（変異した）ソースコードを用いて次世代のコンパイラが作成される。このプロセスは、対象自身ではなくエンジニアによって制御されるという点で、自然界における自己複製とは異なる。

宇宙システムにおける自己複製の目標は、少ない打ち上げ質量で大量の物質を活用することである。例えば、独立栄養型の自己複製機械は、月や惑星を太陽電池で覆い、マイクロ波を使って地球に電力を送ることができる。設置後、自己複製した同じ機械は、原材料や製造物、さらには製品を輸送するための輸送システムも生産できる。別の自己複製機械のモデルでは、銀河や宇宙全体に自己複製を行い、情報を送り返すというものだ。

一般的に、これらのシステムは独立栄養性であるため、既知の複製システムの中で最も難しく複雑なものである。また、複製に人間からの投入を一切必要としないため、最も危険なシステムであると考えられている。

宇宙における複製子の古典的な理論的研究としては、ロバート・フレイタスが編集した1980年のNASAによる独立栄養性カチカチ音を立てる複製子の研究がある。^{[ 15 ]}

設計研究の大部分は、月のレゴリスを処理するためのシンプルで柔軟な化学システム、および複製装置に必要な元素の比率とレゴリス中に存在する元素の比率の違いに関するものでした。制限元素は塩素であり、これはアルミニウムを精製するためにレゴリスを処理する上で不可欠な元素です。塩素は月のレゴリス中には非常に希少であるため、少量を輸入することで、複製速度を大幅に向上させることが可能です。

参照設計では、レール上を走行する小型のコンピュータ制御式電動カートが指定されていた。各カートには、シンプルなハンドまたは小型のブルドーザーショベルを取り付けることができ、基本的なロボットを構成できる。

電力は、柱で支えられた太陽電池の「キャノピー」によって供給される。その他の機械類は、このキャノピーの下で稼働できる。

「鋳造ロボット」は、彫刻ツールを備えたロボットアームを使用して石膏型を作成します。石膏型は簡単に作成でき、表面仕上げの良い精密な部品を作ることができます。その後、ロボットは非導電性の溶融岩（玄武岩）または精製された金属から、ほとんどの部品を鋳造します。材料は電気炉で溶融されます。

コンピュータや電子システムを製造するために、より複雑な「チップ工場」が想定されていたが、設計者たちは、チップをまるで「ビタミン剤」のように地球から輸送することも現実的かもしれないと述べていた。

特にナノテクノロジー研究者たちは、人間がナノメートルサイズの自己複製可能な組み立て装置を設計するまでは、自分たちの研究は成熟した段階に達することはないだろうと考えている。

これらのシステムは、精製された原料とエネルギーが供給されるため、独立栄養システムよりもはるかに単純です。それらを複製する必要はありません。この違いが、分子製造が可能かどうかについての論争の根底にあります。不可能だと考える多くの専門家は、明らかに複雑な独立栄養自己複製システムの出典を挙げています。可能だと考える多くの専門家は、明らかに実証済みの、はるかに単純な自己組織化システムの出典を挙げています。その間、2003年には、あらかじめ設定された軌道をたどり、外部から提供された4つの部品から始めて、自分自身の正確なコピーを組み立てることができる、レゴで作られた自律型ロボットが実験的に実証されました。

タンパク質生合成 の過程には限界があるため、既存の細胞の複製能力を利用するだけでは不十分である。

求められているのは、はるかに幅広い合成能力を備えた、全く新しいレプリケーターの合理的な設計である。

2011年、ニューヨーク大学の科学者たちは、自己複製可能な人工構造を開発しました。このプロセスは、新しいタイプの材料を生み出す可能性を秘めています。彼らは、細胞のDNAやRNAのような分子だけでなく、原理的にはさまざまな形状をとり、さまざまな機能特性を持ち、さまざまな種類の化学種と関連付けられる離散的な構造を複製できることを実証しました。^{[ 16 ] [ 17 ]}