自己複製

自己複製とは、動的システムのあらゆる動作によって、自分自身の同一または類似のコピーが構築されることである。生物細胞は、適切な環境が与えられれば、細胞分裂によって再生する。細胞分裂の過程で、DNA が複製され、再生時に子孫に伝達される可能性がある。生物学的ウイルスは複製できるが、それは感染のプロセスを通じて細胞の再生機構を乗っ取ることによってのみ可能である。有害なプリオンタンパク質は、通常のタンパク質を不正な形態に変換することによって複製できる。^[1] コンピュータウイルスは、コンピュータにすでに存在するハードウェアとソフトウェアを使用して再生する。ロボット工学における自己複製は研究分野であり、SFの関心の的となっている。完全なコピー (突然変異)を作らない自己複製メカニズムはどれも、遺伝的変異を経験し、自分自身のバリアントを作成する。これらのバリアントは自然淘汰の対象となり、その中には現在の環境で生き残るのが他のバリアントよりも得意なものがあり、他のバリアントより繁殖するものがある。

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証明されました。

• レプリケータのコード化表現
• コード化された表現をコピーするメカニズム
• 複製子のホスト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もあり得るが、既知の例のほとんどがこのパターンに従っている。科学者は、RNAモノマーと転写酵素の溶液である「環境」でコピーできるRNAの構築に近づいているが、そのようなシステムは「自己複製」というよりも「補助複製」としてより正確に特徴付けられる。2021年に研究者は、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つは、温度を上下させることにより、すでにリンクされている4つの配列のテンプレートに従って、特定の順序で（塩基対形成を通じて）一緒にリンクすることができる。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。酵素などの外部エージェントは必要ないが、システムには16個のDNA配列のリザーバーを供給する必要がある。^[3]

最も単純なケースは、ゲノムだけが存在する場合です。自己複製のステップが規定されていない場合、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特徴付ける方が適切でしょう。

自己複製は生命の基本的な特徴です。自己複製は、二本鎖ポリヌクレオチドに似た分子（おそらくRNAに似ている）が一本鎖ポリヌクレオチドに解離し、それぞれが相補鎖の合成のテンプレートとして機能して2つの二本鎖コピーを生成するときに、生命の進化の中で出現したと提案されています。 ^[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重鎖複製子が利用可能なモノヌクレオチドリソースを求めて互いに競合し、最も「適合した」配列の自然選択が開始されます。^[4] これらの初期の生命体の複製はおそらく非常に不正確で、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み出し、鎖の結合（安定性を促進）と解離（ゲノムの複製を可能にする）の傾向に影響を与えました。生体システムにおける秩序の進化は、物理システムにも適用される基本的な秩序生成原理の例であると提案されています。^[5]

最近の研究では^[6]、レプリケータを、必要とするサポートの量に基づいて分類するようになりました。

• 自然複製子は、その設計のすべてまたは大部分が人間以外の源から来ています。このようなシステムには、自然生命体が含まれます。
• 独立栄養複製者は「自然」の中で自らを複製することができます。彼らは自らの材料を採掘します。非生物的な独立栄養複製者は人間によって設計され、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ます。
• 自己複製システムとは、金属棒やワイヤーなどの工業用原料から自分自身のコピーを生成すると想定されるシステムです。
• 自己組織化システムは、納品された完成部品から自分自身のコピーを組み立てます。このようなシステムの単純な例がマクロスケールで実証されています。

機械複製機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、137の設計次元が12の個別のカテゴリーに分類されている。これには、(1)複製制御、(2)複製情報、(3)複製基質、(4)複製機構造、(5)受動部品、(6)能動サブユニット、(7)複製機エネルギー、(8)複製機運動学、(9)複製プロセス、(10)複製機性能、(11)製品構造、(12)進化可能性などがある。

コンピュータ サイエンスにおいて、クワインは自己複製型のコンピュータ プログラムであり、実行されると独自のコードが出力されます。たとえば、Python プログラミング言語のクワインは次のようになります。

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

もっと単純なアプローチは、指示されたデータ ストリームのコピーを作成し、それを自分自身に指示するプログラムを作成することです。この場合、プログラムは実行可能コードとして扱われると同時に、操作されるデータとしても扱われます。このアプローチは、生物生命を含むほとんどの自己複製システムで一般的であり、プログラムに自分自身の完全な記述を含める必要がないため、よりシンプルです。

多くのプログラミング言語では、空のプログラムは合法であり、エラーやその他の出力を生成せずに実行されます。したがって、出力はソース コードと同じなので、プログラムは簡単に自己複製できます。

幾何学において、自己複製タイルとは、いくつかの合同なタイルを結合して、元のタイルに似た大きなタイルを形成するタイルパターンのことです。これは、テッセレーションと呼ばれる研究分野の側面です。「スフィンクス」ヘキシアダイヤモンドは、唯一知られている自己複製五角形です。^[8] たとえば、このような凹型五角形を 4 つ結合して、2 倍の寸法の五角形を作ることができます。^[9] Solomon W. Golomb は、自己複製タイルを レップタイルと名付けました。

2012 年、Lee Sallows は、レプタイルをセルフタイリング タイル セットまたはセティセットの特別な例として特定しました。オーダーnのセティセットは、n個の形状のセットであり、 n個の異なる方法で組み立てて、それ自体のより大きなレプリカを形成できます。すべての形状が異なるセティセットは「完全」と呼ばれます。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す。

DNAやRNAに基づかない自然な自己複製の1つの形態は、粘土結晶で発生します。^[10]粘土は多数の小さな結晶で構成されており、粘土は結晶の成長を促進する環境です。結晶は規則的な原子の格子で構成されており、たとえば結晶成分を含む水溶液に置くと成長することができ、結晶境界の原子が自動的に結晶形態に配置されます。結晶には、規則的な原子構造が壊れた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形を作り出す可能性があります。これらの不規則性は、結晶が壊れ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、そのような不規則性を持つ結晶は進化的に発達していると考えることもできます。

自己複製できる物質装置であるカチャカチャ音を立てる複製装置を実現することは、一部の工学科学における長期目標である。通常の理由は、工業製品の実用性を維持しながら、製品当たりのコストを低く抑えることである。多くの専門家は、自己複製により従来の工業製品における労働、資本、流通のコストが回避されるため、極限では自己複製製品のコストは木材やその他の生物学的物質の重量当たりのコストに近づくはずだと述べている。

完全に新しい人工レプリケータは、妥当な短期目標です。NASAの最近の研究では、カチャカチャ音を立てるレプリケータの複雑さは、IntelのPentium 4 CPUとほぼ同じであるとされています。^[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、妥当な商業的時間スケールで、妥当なコストで実現可能です。

現在、バイオテクノロジーに対する関心が高まり、この分野に多額の資金が投入されていることを考えると、既存の細胞の複製能力を活用する試みは時宜にかなったものであり、大きな洞察と進歩に容易につながる可能性があります。

自己複製のバリエーションは、コンパイラ構築において実際的な関連性があり、自然な自己複製の場合と同様のブートストラップ問題が発生します。コンパイラ (表現型) をコンパイラ自身のソース コード(遺伝子型) に適用して、コンパイラ自体を生成することができます。コンパイラの開発中、変更された (変異した) ソースを使用して、次世代のコンパイラが作成されます。このプロセスは、対象自体ではなくエンジニアによって指示されるという点で、自然な自己複製とは異なります。

ロボットの分野では、機械の自己複製が行われます。すべてのロボット (少なくとも現代では) には同じ機能がかなり備わっているため、自己複製ロボット (またはロボットの群れ) には次の機能が必要です。

• 建設資材を入手する
• 最小部品や思考装置を含む新しい部品の製造
• 安定した電源を提供する
• 新メンバーをプログラムする
• 子孫の間違いを訂正する

ナノスケールでは、アセンブラは自らの力で自己複製するように設計される可能性もあります。これは、 SF小説「ブルーム」や「プレイ」に登場する「グレイ・グー」版のアルマゲドンを生み出しました。

フォーサイト研究所は、機械的自己複製の研究者向けのガイドラインを公開しています。^[12]ガイドラインでは、研究者が機械的複製機が制御不能になるのを防ぐために、ブロードキャストアーキテクチャの使用など、いくつかの特定の技術を使用することを推奨しています。

産業時代に関連する機械的複製に関する詳細な記事については、大量生産を参照してください。

以下の分野で研究が行われています。

• 生物学：生物および細胞の自然な複製と複製子、およびそれらの相互作用の研究。これには、個体群動態、クオラムセンシング、オートファジー経路などのサブ分野が含まれます。これらは、自己複製機構の設計上の困難を回避するための重要なガイドとなります。
• 化学：自己複製研究は、通常、特定の分子セットがどのように相互作用してセット内で互いに複製できるかについての研究です^[13]（多くの場合、システム化学分野の一部です）。
• 生化学： in vitroリボソーム自己複製の単純なシステムが試みられてきたが^[14]、2021年1月現在、実験室では無制限のin vitro リボソーム自己複製は達成されていない。
• ナノテクノロジー、より正確には分子ナノテクノロジーは、ナノスケールのアセンブラーの作成に関係しています。自己複製がなければ、分子マシンの資本コストと組み立てコストは信じられないほど大きくなります。ナノテクノロジーに対するボトムアップアプローチの多くは、生化学的または化学的自己組み立てを利用しています。
• 宇宙資源: NASA は、宇宙資源を採掘するための自己複製メカニズムを開発するための設計研究を数多く後援してきました。これらの設計のほとんどには、自分自身を複製するコンピューター制御の機械が含まれています。
• ミーム学: ミームという概念は、リチャード・ドーキンスが1976 年の著書『利己的な遺伝子』で提唱したもので、遺伝子の認知的同等物、つまり観察を通じてある宿主の精神から別の宿主の精神にコピーされる行動の単位を提案しました。ミームは動物の行動によってのみ伝播するため、情報ウイルスに類似しており、しばしばウイルス性として説明されます。
• コンピュータ セキュリティ: 多くのコンピュータ セキュリティの問題は、コンピュータに感染する自己複製型のコンピュータ プログラム (コンピュータ ワームやコンピュータ ウイルス)によって引き起こされます。
• 並列コンピューティング: 大規模なコンピュータ クラスターまたは分散コンピューティングシステムのすべてのノードに新しいプログラムをロードするのは時間がかかります。モバイル エージェントを使用してノード間でコードを自己複製すると、システム管理者の時間を大幅に節約できます。モバイル エージェントは、実装が適切でないとコンピュータ クラスターをクラッシュさせる可能性があります。

宇宙システムにおける自己複製の目標は、打ち上げ質量が小さく、大量の物質を利用することです。たとえば、自己栄養性の自己複製マシンは、月や惑星を太陽電池で覆い、マイクロ波を使用して電力を地球に送ることができます。設置後は、自己複製マシンと同じマシンが原材料や製造品を生産し、製品を輸送する輸送システムも作成できます。自己複製マシンの別のモデルは、銀河や宇宙で自分自身を複製し、情報を送り返します。

一般的に、これらのシステムは独立栄養性であるため、既知の複製子の中で最も難しく複雑なものです。また、繁殖するために人間からの入力を必要としないため、最も危険であると考えられています。

宇宙における複製子の古典的な理論的研究は、1980年にロバート・フレイタスが編集したNASAの独立栄養性クランキング複製子に関する研究である。^[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と、レプリケータに必要な元素の比率とレゴリスで利用可能な比率の差に関するものでした。制限元素は塩素で、これはレゴリスをアルミニウムに処理するために不可欠な元素です。塩素は月のレゴリスには非常にまれであり、適度な量を輸入することで、大幅に速い再生速度を確保できます。

リファレンス設計では、レールの上を走るコンピューター制御の小型電動カートが指定されました。各カートには、単純な手または小型のブルドーザー シャベルが付いており、基本的なロボットを構成できます。

電力は柱に支えられた太陽電池の「天蓋」によって供給される。その他の機械は天蓋の下で稼働する。

「鋳造 ロボット」は、いくつかの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、表面仕上げの優れた精密な部品を作成できます。その後、ロボットは非導電性の溶融岩 (玄武岩) または精製金属から部品のほとんどを鋳造します。材料は 電気 オーブンで溶かします。

コンピューターと電子システムを生産するために、より複雑な「チップ工場」が計画されたが、設計者らはチップをまるで「ビタミン」のように地球から輸送することが現実的かもしれないとも述べた。

特にナノテクノロジストは、人類がナノメートルサイズの自己複製アセンブラーを設計するまで、彼らの研究は成熟段階に到達できないだろうと考えています。[1]

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大幅に単純です。それらを複製する必要はありません。この違いは、分子製造が可能かどうかに関する論争の一部の根底にあります。分子製造を不可能とする多くの権威者は、複雑な独立栄養自己複製システムの出典を明らかに引用しています。分子製造が可能とする多くの権威者は、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明らかに引用しています。その間、レゴで作られた自律ロボットは、事前に設定されたトラックをたどり、外部から提供された4つのコンポーネントから始めて、自分自身の正確なコピーを組み立てることができ、2003年に実験的に実証されました。[2]

タンパク質生合成 のプロセスには限界があるため、既存の細胞の複製能力を単に利用するだけでは不十分です( RNAのリストも参照)。

必要なのは、はるかに広範囲の合成機能を備えた、まったく新しいレプリケーターの合理的な設計です。

2011年、ニューヨーク大学の科学者たちは、自己複製できる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があります。彼らは、細胞のDNAやRNAなどの分子だけでなく、原理的にはさまざまな形状を取り、さまざまな機能的特徴を持ち、さまざまなタイプの化学種と関連付けられる個別の構造を複製できることを実証しました。^{[16] [17]}

仮想的な自己複製システムの他の化学的基礎については、「代替生化学」を参照してください。

• アビオジェネシス
• 人工生命
• アストロチキン
• オートポイエーシス
• 複雑なシステム
• DNA複製
• ミーム学
• 人生
• ロボット
• RepRap（自己複製型3Dプリンター）
• 自己複製機械
  • 自己複製宇宙船
• 宇宙製造業
• フォン・ノイマンの万能構築子
• ウイルス
• フォン・ノイマン・マシン (曖昧さ回避)
• 自己再構成可能

注記