التكرار الذاتي

أثبتت الأبحاث المبكرة التي أجراها جون فون نيومان ^{[ 2 ]} أن أجهزة النسخ تتكون من عدة أجزاء:

• تمثيل مشفر للمُكرِّر
• آلية لنسخ التمثيل المشفر
• آلية لتنفيذ عملية البناء داخل البيئة المضيفة للمُستنسخ

قد توجد استثناءات لهذا النمط، مع أن معظم الأمثلة المعروفة تلتزم به. وقد اقترب العلماء من بناء حمض نووي ريبوزي (RNA) يمكن نسخه في "بيئة" تتكون من محلول من مونومرات الحمض النووي الريبوزي وإنزيم النسخ، ولكن من الأدق وصف هذه الأنظمة بأنها "تضاعف مُساعد" وليست "تضاعفًا ذاتيًا". في عام 2021، نجح الباحثون في بناء نظام يتكون من ستة عشر تسلسلًا من الحمض النووي (DNA) مصممة خصيصًا. يمكن ربط أربعة من هذه التسلسلات معًا (عن طريق اقتران القواعد) بترتيب معين وفقًا لقالب مكون من أربعة تسلسلات مرتبطة مسبقًا، وذلك بتغيير درجة الحرارة صعودًا وهبوطًا. وبالتالي، يزداد عدد نسخ القالب في كل دورة. لا حاجة إلى عامل خارجي مثل الإنزيم، ولكن يجب تزويد النظام بمخزون من تسلسلات الحمض النووي الستة عشر. ^{[ 3 ]}

أبسط الحالات الممكنة هي وجود جينوم فقط. وبدون تحديد خطوات التكاثر الذاتي، من الأنسب وصف نظام الجينوم فقط بأنه أشبه بالبلورة .

يُعدّ التضاعف الذاتي سمة أساسية للحياة. وقد طُرحت فرضية مفادها أن التضاعف الذاتي نشأ خلال تطور الحياة عندما تفكك جزيء مشابه لسلسلة متعددة من النيوكليوتيدات المزدوجة (ربما مثل الحمض النووي الريبي RNA ) إلى سلاسل متعددة من النيوكليوتيدات المفردة، حيث عملت كل سلسلة منها كقالب لتخليق سلسلة مكملة، مما أنتج نسختين مزدوجتين. ^{[ 4 ]} في نظام كهذا، يمكن لجزيئات التضاعف المزدوجة ذات التسلسلات النيوكليوتيدية المختلفة أن تتنافس فيما بينها على موارد النيوكليوتيدات الأحادية المتاحة، مما أدى إلى بدء عملية الانتقاء الطبيعي للتسلسلات الأكثر ملاءمة. ^{[ 4 ]} من المرجح أن تضاعف هذه الأشكال المبكرة من الحياة كان غير دقيق إلى حد كبير، مما أدى إلى حدوث طفرات أثرت على حالة طي النيوكليوتيدات المتعددة، وبالتالي أثرت على ميلها إلى الارتباط (مما يعزز الاستقرار) والانفصال (مما يسمح بتضاعف الجينوم). وقد طُرحت فرضية أن تطور النظام في الأنظمة الحية يُعد مثالاً على مبدأ أساسي لتوليد النظام ينطبق أيضاً على الأنظمة الفيزيائية. ^{[ 5 ]}

بدأت الأبحاث الحديثة ^{[ 6 ]} في تصنيف النسخ المتكررة، وغالبًا ما تستند إلى مقدار الدعم الذي تتطلبه.

• تستمد الكائنات الحية التي تتكاثر بشكل طبيعي تصميمها بالكامل أو معظمه من مصادر غير بشرية. وتشمل هذه الأنظمة أشكال الحياة الطبيعية.
• تستطيع الكائنات ذاتية التغذية التكاثر في بيئتها الطبيعية، حيث تستخرج موادها بنفسها. ويُعتقد أن البشر قادرون على تصميم كائنات ذاتية التغذية غير بيولوجية، وأنها قادرة على استيعاب مواصفات المنتجات البشرية بسهولة.
• الأنظمة ذاتية التكاثر هي أنظمة مفترضة تنتج نسخًا من نفسها من مواد خام صناعية مثل القضبان والأسلاك المعدنية.
• تقوم الأنظمة ذاتية التجميع بتجميع نسخ من نفسها من أجزاء جاهزة تم تسليمها. وقد تم عرض أمثلة بسيطة لهذه الأنظمة على المستوى الكلي.

إن مجال تصميم آلات النسخ واسع للغاية. وقد حددت دراسة شاملة ^{[ 7 ]} أجراها روبرت فريتاس ورالف ميركل حتى الآن 137 بُعدًا تصميميًا مُصنفة ضمن اثنتي عشرة فئة منفصلة، ​​تشمل: (1) التحكم في النسخ، (2) معلومات النسخ، (3) ركيزة النسخ، (4) بنية آلة النسخ، (5) الأجزاء السلبية، (6) الوحدات الفرعية النشطة، (7) طاقة آلة النسخ، (8) حركية آلة النسخ، (9) عملية النسخ، (10) أداء آلة النسخ، (11) بنية المنتج، و(12) قابلية التطوير.

في علم الحاسوب، يُعرف برنامج "كوين" بأنه برنامج حاسوبي ذاتي التكاثر، يُخرج عند تشغيله شيفرته البرمجية الخاصة. على سبيل المثال، برنامج "كوين" في لغة برمجة بايثون هو:

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

ثمة طريقة أبسط تتمثل في كتابة برنامج يقوم بنسخ أي تدفق بيانات يُوجَّه إليه، ثم يوجهه إلى نفسه. في هذه الحالة، يُعامل البرنامج كشفرة قابلة للتنفيذ، وكبيانات قابلة للمعالجة. هذه الطريقة شائعة في معظم الأنظمة ذاتية التكاثر، بما في ذلك الكائنات الحية، وهي أبسط لأنها لا تتطلب من البرنامج أن يحتوي على وصف كامل لنفسه.

في العديد من لغات البرمجة، يُعدّ البرنامج الفارغ مسموحًا به، ويتم تنفيذه دون إنتاج أخطاء أو أي مخرجات أخرى. وبالتالي، تكون المخرجات مطابقة لشفرة المصدر، مما يجعل البرنامج قادرًا على إعادة إنتاج نفسه بسهولة.

في الهندسة ، يُعرف التبليط ذاتي التكرار بأنه نمط تبليط يمكن فيه ضم عدة بلاطات متطابقة لتشكيل بلاطة أكبر تشبه البلاطة الأصلية. وهذا جانب من جوانب مجال الدراسة المعروف باسم التبليط . يُعدّ شكل " أبو الهول " السداسي المعيني الشكل الخماسي الوحيد المعروف ذاتي التكرار . ^{[ 8 ]} على سبيل المثال، يمكن ضم أربعة أشكال خماسية مقعرة من هذا النوع لتكوين شكل واحد بضعف الأبعاد. ^{[ 9 ]} وقد صاغ سولومون دبليو غولومب مصطلح " البلاطات المتكررة" لوصف التبليطات ذاتية التكرار.

في عام ٢٠١٢، عرّف لي سالوز بلاطات التكرار كحالة خاصة من مجموعة البلاطات ذاتية التبليط . مجموعة البلاطات من الرتبة n هي مجموعة من n شكلاً يمكن تجميعها بـ n طريقة مختلفة لتشكيل نسخ أكبر من نفسها. تُسمى مجموعات البلاطات التي يكون فيها كل شكل مميزًا "مثالية". بلاطة التكرار من الرتبة n هي ببساطة مجموعة بلاطات تتكون من n قطعة متطابقة.

يُعدّ التكاثر الذاتي الطبيعي الذي لا يعتمد على الحمض النووي DNA أو RNA أحد أشكال التكاثر الذاتي في بلورات الطين . ^{[ 10 ]} يتكون الطين من عدد كبير من البلورات الصغيرة، وهو بيئة تُعزز نمو البلورات . تتكون البلورات من شبكة منتظمة من الذرات ، وتنمو عند وضعها، على سبيل المثال، في محلول مائي يحتوي على مكوناتها البلورية؛ حيث تُرتّب الذرات تلقائيًا عند حدود البلورة لتكوين الشكل البلوري. قد تحتوي البلورات على تشوهات حيث ينكسر التركيب الذري المنتظم، وعندما تنمو البلورات، قد تنتشر هذه التشوهات، مما يُنشئ شكلاً من أشكال التكاثر الذاتي لتشوهات البلورات . ولأن هذه التشوهات قد تؤثر على احتمالية انقسام البلورة لتكوين بلورات جديدة، يُمكن اعتبار البلورات التي تحتوي على مثل هذه التشوهات خاضعة للتطور.

يُعدّ ابتكار جهاز نسخ ذاتي ، أي جهاز مادي قادر على التكاثر الذاتي، هدفًا طويل الأمد لبعض العلوم الهندسية . والسبب المعتاد هو خفض تكلفة الوحدة مع الحفاظ على فائدة المنتج المصنّع. ويرى العديد من الخبراء أنه في نهاية المطاف، ينبغي أن تقترب تكلفة المنتجات ذاتية التكاثر من تكلفة وزن الخشب أو المواد البيولوجية الأخرى، لأن التكاثر الذاتي يُغني عن تكاليف العمالة ورأس المال والتوزيع في المنتجات المصنّعة التقليدية .

يُعدّ ابتكار جهاز نسخ اصطناعي جديد كليًا هدفًا معقولًا على المدى القريب. وقد أشارت دراسة حديثة أجرتها وكالة ناسا إلى أن تعقيد جهاز النسخ الآلي يُقارب تعقيد معالج بنتيوم 4 من إنتل . ^{[ 11 ]} أي أن هذه التقنية قابلة للتحقيق بواسطة فريق هندسي صغير نسبيًا، وفي إطار زمني تجاري معقول، وبتكلفة معقولة.

بالنظر إلى الاهتمام الشديد الحالي بالتكنولوجيا الحيوية ومستويات التمويل العالية في هذا المجال، فإن محاولات استغلال القدرة التكاثرية للخلايا الموجودة تأتي في وقتها المناسب، وقد تؤدي بسهولة إلى رؤى وتقدمات مهمة.

يُعدّ أحد أشكال التكرار الذاتي ذا أهمية عملية في بناء المترجمات ، حيث تظهر مشكلة مماثلة لمشكلة التمهيد كما في التكرار الذاتي الطبيعي. يمكن تطبيق مُترجم ( النمط الظاهري ) على شفرة المصدر الخاصة به ( النمط الجيني ) لإنتاج المُترجم نفسه. أثناء تطوير المُترجم، تُستخدم شفرة مصدر مُعدّلة ( مُطَفَّرة ) لإنشاء الجيل التالي منه. تختلف هذه العملية عن التكرار الذاتي الطبيعي في كونها مُوجَّهة من قِبَل مهندس، وليس من قِبَل المُترجم نفسه.

يهدف التكاثر الذاتي في الأنظمة الفضائية إلى استغلال كميات هائلة من المادة بكتلة إطلاق منخفضة. فعلى سبيل المثال، يمكن لآلة ذاتية التغذية والتكاثر أن تغطي قمراً أو كوكباً بخلايا شمسية، وتنقل الطاقة إلى الأرض باستخدام الموجات الدقيقة. وبمجرد استقرارها، يمكن للآلة نفسها التي بنت نفسها أن تنتج مواد خام أو منتجات مصنعة، بما في ذلك أنظمة نقل لشحن هذه المنتجات. وهناك نموذج آخر لآلة ذاتية التكاثر يقوم بنسخ نفسه عبر المجرة والكون، ويرسل المعلومات إلى الأرض.

بشكل عام، ولأن هذه الأنظمة ذاتية التغذية، فهي تُعدّ من أصعب وأكثر الكائنات الحية تعقيداً في عملية التكاثر المعروفة. كما يُعتقد أنها الأكثر خطورة، لأنها لا تتطلب أي مدخلات من البشر للتكاثر.

تُعد دراسة ناسا لعام 1980 حول المكررات ذاتية التغذية، والتي حررها روبرت فريتاس ، دراسة نظرية كلاسيكية للمكررات في الفضاء . ^{[ 15 ]}

ركز جزء كبير من دراسة التصميم على نظام كيميائي بسيط ومرن لمعالجة تربة القمر ، والاختلافات بين نسب العناصر اللازمة للمُستنسخ والنسب المتوفرة في التربة. وكان العنصر المحدد هو الكلور ، وهو عنصر أساسي لمعالجة التربة لإنتاج الألومنيوم . يُعد الكلور نادرًا جدًا في تربة القمر، ويمكن ضمان معدل استنساخ أسرع بكثير عن طريق استيراد كميات معتدلة منه.

حدد التصميم المرجعي عربات كهربائية صغيرة يتم التحكم فيها بواسطة الكمبيوتر وتسير على قضبان. يمكن أن تحتوي كل عربة على يد بسيطة أو مجرفة صغيرة، لتشكيل روبوت أساسي .

سيتم توفير الطاقة من خلال "مظلة" من الخلايا الشمسية المدعومة على أعمدة. ويمكن تشغيل الآلات الأخرى تحت هذه المظلة.

يستخدم " روبوت الصب " ذراعًا آلية مزودة ببعض أدوات النحت لصنع قوالب جبسية . تتميز القوالب الجبسية بسهولة صنعها، وتُنتج قطعًا دقيقة ذات أسطح ناعمة. بعد ذلك، يقوم الروبوت بصب معظم القطع إما من صخور منصهرة غير موصلة للكهرباء ( كالبازلت ) أو من معادن نقية. ويتم صهر هذه المواد في فرن كهربائي .

تم تحديد "مصنع رقائق" أكثر تعقيدًا وتخمينًا لإنتاج أنظمة الكمبيوتر والإلكترونيات، لكن المصممين قالوا أيضًا إنه قد يكون من العملي شحن الرقائق من الأرض كما لو كانت "فيتامينات".

يعتقد علماء تقنية النانو على وجه الخصوص أن عملهم من المرجح أن يفشل في الوصول إلى مرحلة النضج حتى يقوم البشر بتصميم جهاز تجميع ذاتي التكاثر بأبعاد نانومترية .

تُعدّ هذه الأنظمة أبسط بكثير من الأنظمة ذاتية التغذية، لأنها تُزوَّد بمواد أولية وطاقة مُنقَّاة، ولا تحتاج إلى إعادة إنتاجها. هذا التمييز هو جوهر بعض الجدل الدائر حول إمكانية التصنيع الجزيئي . فالعديد من الخبراء الذين يرون استحالة ذلك يستشهدون بمصادر لأنظمة ذاتية التغذية معقدة ذاتية التكاثر. في المقابل، يستشهد العديد من الخبراء الذين يرون إمكانية ذلك بمصادر لأنظمة ذاتية التجميع أبسط بكثير، وقد تمّ إثباتها. في غضون ذلك، تمّ في عام ٢٠٠٣ إثبات تجريبي لروبوت مستقلّ الصنع من مكعبات ليغو ، قادر على تتبّع مسار مُحدَّد مسبقًا وتجميع نسخة طبق الأصل من نفسه، انطلاقًا من أربعة مكونات خارجية.

إن مجرد استغلال القدرات التكاثرية للخلايا الموجودة غير كافٍ، بسبب القيود الموجودة في عملية التخليق الحيوي للبروتين .

المطلوب هو التصميم العقلاني لجهاز نسخ جديد تمامًا يتمتع بنطاق أوسع بكثير من قدرات التركيب.

في عام 2011، طوّر علماء من جامعة نيويورك هياكل اصطناعية قادرة على التكاثر الذاتي، وهي عملية تحمل في طياتها إمكانية إنتاج أنواع جديدة من المواد. وقد أثبتوا إمكانية استنساخ ليس فقط جزيئات مثل الحمض النووي (DNA) أو الحمض النووي الريبي (RNA) الخلوي، بل أيضاً هياكل منفصلة يمكنها من حيث المبدأ أن تتخذ أشكالاً ووظائف مختلفة، وأن ترتبط بأنواع كيميائية متعددة. ^{[ 16 ] [ 17 ]}