La auto-reproducción y sus aplicaciones

Eugenio Jacobo Hernández Valdelamar

Fundación Arturo Rosenblueth. Insurgentes Sur 670-3. Colonia del Valle. CP 03100. México, D.F., México

jack@mail.rosenblueth.mx jack_hv@yahoo.com

Resumen. En este articulo se exponen las principales ideas y conceptos relacionados a la auto-reproducción y sus aplicaciones en diversas áreas, además de presentar un modelo de simulación de un constructor universal basado en la arquitectura propuesta por Von Neumann. Palabras clave: bioinformática, auto-reproducción, auto-replicación, vida artificial, agentes.

1. Introducción Uno de los procesos recurrentes en el procesamiento de información es la replicación, que se define como “el proceso de hacer una replica (copia) de algo; el término es usado en campos como la microbiología (replicación celular) y distribución de la información (replicación de CD-ROMs, sitios espejo, sincronización de bases de datos)”. La información que copiamos por lo general son archivos de texto, bases de datos, etc., que por sí misma no cambia, ni evoluciona. Sin embargo, hay información que está muy ligada a procesos que tienen no solo la capacidad de copiar información, sino su estructura completa para crear un nuevo proceso, independiente del original. Esta capacidad es conocida como auto-reproducción, la cual puede encontrarse en sistemas formados por un gran número de elementos idénticos, que interaccionan localmente y que dan lugar a algún tipo de comportamiento global que no se puede explicar a partir de las propiedades de un sólo individuo sino como resultado de las interacciones de un colectivo (sistemas complejos). Este trabajo expone los fundamentos de la auto-replicación y sus diversas aplicaciones. El objetivo es mostrar como un fenómeno biológico puede aplicarse a los desarrollos tecnológicos actuales, en áreas como la informática o la robótica,

2. Las características de los sistemas vivos Todo sistema vivo está constituido genéricamente por células o unidades sistémicas que, agrupadas de acuerdo a características de tipo funcional pasan a formar parte de los subsistemas que relacionados entre si dan como resultado una conformación de consistencia cuyo objetivo general será el de generar vida. En este proceso un sistema vivo debe relacionarse con su medio ambiente ya sea aceptando de éste recursos (entradas) que luego de ciertas transformaciones se obtiene la energía necesaria para generar movimiento y aquello que careciera de utilidad (salidas) se devuelva al espacio de origen y en esta forma se logra establecer continuos ciclos a través de los cuales se va desarrollando la vida misma [13]. Cuando Scheiden y Schwann propusieron la teoría celular en 1838, se estableció lo siguiente:

Todas las formas de vida nacen de una o más células. Las células se producen solamente de células preexistentes. La célula es la forma de vida más pequeña. La teoría celular también nos provee con una definición operacional de

"vida". En 1944 el premio Nobel de física, Erwin Schrödinger escribió sus reflexiones sobre los sistemas vivos en un libro titulado “What is life?” y observó que:

Los sistemas vivos tienden a preservar su estructura en el tiempo. La estructura molecular de la materia viva es mucho más compleja que la

materia inorgánica. La complejidad es más o menos proporcional al tamaño. A escalas

microscópicas el azar hace difícil el desarrollo de mecanismos elaborados. Los sistemas vivos se replican.

Carl Sagan, decía que su definición preferida de la vida es la siguiente: "un ser vivo es cualquier sistema capaz de reproducirse, de mutar y de reproducir sus mutaciones". Los biofísicos están de acuerdo en afirmar que efectivamente la auto-conservación, la auto-reproducción y el almacenamiento de la información son características esenciales de la vida. Pero para algunos científicos esto no es suficiente para definir la vida. Todo ser vivo, además, ha de contar con un sistema que le permita aprovechar y transformar la energía de su entorno, ha de tener control de su propio ambiente interno y de las distintas partes que permitan conservar su identidad [10].

De lo anterior puede establecerse que una de las capacidades más importantes de los seres vivos es la auto-reproducción, la cual puede definirse como:

Cuando una unidad produce otra con una organización similar a la propia, por medio de un proceso que está acoplado al proceso de su propia especificación.

La producción de una unidad con una organización similar a la que lo produjo, cada una ocupando diferentes espacios físicos, p.ej., la producción de descendencia biológica.

Cabe aclarar que aunque parezcan sinónimos, auto-replicación y auto-replicación, tienen contextos diferentes de aplicación. Para aclarar el alcance de estos términos, primero deben exponerse los siguientes conceptos:

Filogenia. Se refiere a la evolución temporal del programa genético, el sello de el cual es la evolución de la especie, o filogenia. La multiplicación de organismos vivos se basa en la reproducción del programa, conforme a un nivel de error extremadamente bajo en el nivel individual, para asegurarse de que la identidad del descendiente permanezca prácticamente sin cambios.

Ontogenia. Sobre el aspecto de organismos multicelulares, un segundo nivel de la organización biológica se manifiesta. Las divisiones sucesivas de la célula de la madre, el cigote, con cada célula nuevamente formada poseyendo una copia del genoma original, son seguidas por una especialización de las células de la hija de acuerdo con sus alrededores, es decir, su posición dentro del conjunto. Esta última fase se conoce como diferenciación celular. La ontogenia es así el proceso de desarrollo de un organismo multicelular.

Epigénesis. Para alcanzar cierto nivel de complejidad, debe emerger un proceso diferente que permita que el individuo integre la extensa cantidad de interacciones con el mundo exterior. Este proceso se conoce como epigénesis, e incluye sobre todo el sistema nervioso, el sistema inmune, y el sistema de la endocrina. Estos sistemas son caracterizados por la posesión de una estructura básica que sea definida enteramente por el genoma (la parte natural), que entonces se sujeta a la modificación con las interacciones del curso de la vida del individuo con el ambiente (la parte adquirida). Los procesos epigenéticos se pueden agrupar libremente bajo título de aprender sistemas.

Por lo anterior se tiene que:

La Replicación es un proceso ontogenético, que no involucra operadores genéticos, lo que resulta en un duplicado exacto del organismo padre.

La Reproducción es un proceso filogenético (evolucionista), que involucra operadores genéticos como el cruzamiento y la mutación, con lo que se da origen a la variedad y a la evolución.

Generalizando, la replicación es un caso particular de la reproducción.

3. Sistemas auto-replicables A finales de la década de 1940 el matemático y físico John Von Neumann se interesó en la pregunta de si una máquina se puede auto-replicar, es decir, producir copias de sí misma; por lo que Von Neumann empezó a investigar la lógica necesaria para la replicación. Von-Neumann consideraba que una propiedad básica de los seres vivos era su capacidad de auto-reproducción, mientras que los productos de las “máquinas'' son cosas menos complejas que las máquinas que los producen, los seres vivos son capaces de producir sistemas que son tanto o más complejos que ellos mismos. Cuando aún no se tenía ni la más remota idea acerca del ADN de las células, Von-Neumman propuso unos mecanismos de auto-reproducción basados en códigos internos de autómatas celulares que captan los fundamentos de la reproducción celular. Posteriormente con los trabajos de Watson y Creek estos “códigos internos”, asumieron la identidad del ADN (ácido desoxirribonucleico), que pueden considerarse como el componente celular que regula el número y naturaleza de cada tipo de estructura y composición celular, transmitiendo la información hereditaria y determinando la estructura de las proteínas, que a través de enzimas determinará el resto de funciones celulares. Esto dio paso a un mecanismo de auto-descripción llamado replicación del ADN, que es el fenómeno donde el ADN hace una copia de sí mismo por medio de una enzima que además de ser muy exacto posee un sistema de reparación de errores. El mecanismo de replicación es esencialmente el mismo en todas las células. Es un proceso semi-conservativo porque cada uno de los dos ADN hijo tiene una cadena del ADN anterior. ¿Qué sería exactamente un sistema auto-replicable? Se conduciría a si mismo como un virus simplemente replicándose a sí mismo sin deformaciones, sin conocimiento de propio curso o acciones, sin saber a donde va o cuál es su objetivo, o podría ser un sistema con un propósito, una estrategia, una base de conocimiento alterable y una conciencia de su propia existencia? Algunas consideraciones para la auto-replicación de una máquina son las siguientes:

El rasgo característico de la reproducción de la vida es que el organismo vivo puede crear un nuevo organismo similar a sí mismo a partir de la materia inerte que lo rodea.

Degradación de la complejidad; en una línea de ensamble que produce automóviles, los automóviles no crean líneas de ensamble [7].

Auto-descripción de la máquina contenida en sí misma. Si no hay auto-descripción la máquina debería percibirse a si misma para

obtener la descripción (pero que hay de la descripción de este “sensor”, o de la comprensión de la descripción obtenida)

Es destacable el fenómeno de degradación de la complejidad, pues ciertamente muchos productos que se construyen en líneas de producción sufren de este problema, incluso las computadoras (fig.1 ). Sin embargo, retomando la propuesta de arquitectura de un constructor universal de Von Neumann, las computadoras son parte esencial de este tipo de máquinas.

Fig. 1 Simulación de una línea de ensamblaje de computadoras (José Huizar) Aunque el corazón de una máquina auto-replicable es una computadora que también puede ejecutar programas, sus elementos diferenciadores son:

La auto-descripción de la máquina está contenida en su memoria. El constructor universal, que es un manipulador del ambiente que le permite

reunir materia para producir las copias. El objetivo principal de la máquina es replicarse a sí misma.

Las configuraciones en que la computadora y el constructor pueden encontrarse son:

Unidos en un solo dispositivo (arquitectura monolítica) interactuando con el ambiente.

Separados, donde la computadora envía señales a uno o más manipuladores para que hagan su trabajo en un ambiente (arquitectura de broadcast).

Esta última configuración distribuida permite observar diversos fenómenos, pero el más importante es el relacionado a la disponibilidad de materia prima para la replicación. Como puede observarse en la fig. 2, se parte de una configuración inicial (a) de donde los manipuladores parten a un almacén con las piezas necesarias (b); el control central envía las instrucciones a los manipuladores para comiencen el ensamblado de las réplicas (c). En el modelo planteado, se tienen partes para hacer tanto el módulo de computo como de construcción, de manera que si en uno de los almacenes no hay suficientes piezas, las replicas no serán exactas, y se producirá una falla en el proceso. Al terminar el ensamblado, los manipuladores, incluso los nuevos, regresan a la posición inicial (d).

Fig. 2 Simulación de un constructor universal con arquitectura de broadcast. Aunque puede pensarse que el modelo solo aplicaría al ensamblaje de hardware, este esquema es igualmente válido para sistemas solo de software; incluso en el caso de los agentes móviles este es uno de los fundamentos de dicha arquitectura.

4. Áreas de aplicación de la auto-reproducción Las áreas de conocimiento que han explorado el concepto de auto-reproducción y auto-replicación, son las siguientes:

Robótica Virus informáticos Patrones generativos Biosemiótica

Memética Nanotecnología Embriónica Vida artificial

A continuación se describe la aplicación del concepto en cada una de ellas.

4.1 Robótica Los dispositivos robóticos tienen la capacidad de manipular o de controlar otros dispositivos. Pueden ser móviles, capaces de moverse a una cierta localización física distante en donde una acción debe ser tomada. Los robots pueden ser automáticos o tele-operados. Uno de los proyectos más ambiciosos que involucra el uso de robots es la colonización lunar [9]. La principal meta del proyecto es generar un ambiente para que puedan habitar los humanos, y la construcción de dicha infraestructura estaría a cargo de robots, pero ¿quién se haría cargo de ellos?, ¿cuánto costaría transportarlos de la Tierra a la Luna?, ¿cuántos viajes se requerirían?. Las respuestas con la tecnología actual implicarían un costo demasiado alto, por lo que se plantea que solo se envíe lo necesario para que los robots encuentren la materia prima, la procesen y a partir de ahí se auto-repliquen. En este caso, el concepto de auto-replicación permitiría crear colonias espaciales completas que solo tendríamos que llegar a ocupar.

4.2 Virus informáticos Si se trata de auto-replicar un programa es necesario que este contenga una descripción de sí mismo, por ejemplo: main(){ char *c= "main(){char *c=%c%s%c; printf(c,34,c,34);}"; printf(c,34,c,34); } Sin embargo, para que la réplica se considere útil no solo debe replicarse la información del programa en pantalla o en almacenamiento secundario, sino también en su ejecución. En este escenario encontramos a los llamados virus.

Un virus de la computadora es un programa que busca otros programas en los cuales pueda furtivamente introducir sus propias instrucciones. Este proceso, llamado infección, es la característica principal de un virus: se reproduce modificando otros programas. Cuando se ejecutan los programas infectados, buscan otros programas para infectarlos, creando un efecto de propagación. Esta función de reproducción viene generalmente en par con otra funcionalidad, que varía según cada virus [12]. Puede ser cualquier cosa: mostrar un mensaje, borrar archivos, generar una abertura para los intrusos en el sistema, ajustar el formato del disco duro, etc. El virus puede esperar un momento preestablecido o un acontecimiento particular para entrar en la acción, o en casos menos maliciosos, simplemente no hacer nada. En 1949 John Von Neumann, describe programas que se reproducen a sí mismos en su libro "Teoría y Organización de Autómatas Complicados", lo que hoy conocemos como virus. La característica de auto-reproducción y mutación de estos programas, los hace parecidas a las de los virus biológicos. Se sabe de un juego creado por programadores de la empresa AT&T, que desarrollaron la primera versión del sistema operativo Unix, en los años 60. Para entretenerse, y como parte de sus investigaciones, desarrollaron un juego, "Core War",un programa que tenía la capacidad de reproducirse cada vez que se ejecutaba. Este programa tenía instrucciones destinadas a destruir la memoria del rival o impedir su correcto funcionamiento. Al mismo tiempo, desarrollaron un programa llamado "Reeper", que destruía las copias hechas por Core War. Un antivirus o antibiótico. Conscientes de lo peligroso del juego, decidieron mantenerlo en secreto, y no hablar más del tema. No se sabe si esta decisión fue por iniciativa propia, o por órdenes superiores.

4.3 Patrones generativos Los patrones generativos nos dicen cómo crear algo y se pueden observar en las arquitecturas del sistema resultante que ayudaron a formar. Los patrones no-generativos describen fenómenos que se repiten sin necesariamente decir cómo reproducirlos. La ventaja de documentar patrones generativos es porque no solamente demuestran las características de buenos sistemas, sino que muestran cómo construirlos.

Sin embargo, este elemento "instructivo" es solamente una faceta de lo que Alexander llama generatividad (generativity) [8]. Se quisiera que los patrones, y especialmente los idiomas del patrón, fueran capaces de generar las estructuras vivas completas. Parte del deseo de crear las arquitecturas que emulan la vida reside en la capacidad notable única de las cosas vivas de desarrollarse y de adaptarse a sus ambientes siempre que cambian (no solamente para el motivo de la supervivencia individual, sino también para la supervivencia de la especie). De manera análoga en la construcción de software, las buenas arquitecturas de software tratan de ser adaptables y resistentes al cambio. Otro aspecto de la generatividad está en esforzarse en crear arquitecturas "vivas" que sean capaces dinámicamente de adaptarse para satisfacer necesidades y demandas que cambian.

4.4 Biosemiótica La biosemiótica (bios=vida y semion=signo) es una ciencia interdisciplinaria que estudia la comunicación y el significado en los sistemas vivos. La comunicación es la característica esencial de la vida. Un organismo es un mensaje a las generaciones futuras que especifica cómo sobrevivir y reproducirse. Cualquier sistema auto-catalítico transfiere la información (es decir condiciones iniciales) a su progenie de modo que los sistemas hijos alcancen eventual el mismo estado que su padre. Los sistemas de auto-reproducción tienen una cerradura semántico porque se definen en su progenie. Un signo es un objeto que es una parte de un cierto sistema de auto-reproducción. Un signo es siempre útil para el sistema y su valor se puede determinar por su contribución al valor reproductivo del sistema entero.

4.5 Memética Un meme es un patrón cognoscitivo o del comportamiento que se puede transmitir a partir de un individuo otro. Puesto que el individuo que transmitió el meme continuará llevándolo, la transmisión se puede interpretar como réplica: una copia del meme se hace en la memoria de otro individuo, haciéndolo un portador del meme. Este proceso de auto-reproducción (el ciclo vital memético), tiende a extenderse a un grupo cada vez mayor de individuos, define al meme como replicador, de forma similar al gene. Para ser replicado, un meme debe pasar con éxito a través de cuatro etapas subsecuentes [14]:

1) asimilación por un individuo, que de tal modo que se hace anfitrión del meme; 2) retención en la memoria de ese individuo;

3) expresión del individuo en lengua, comportamiento u otra forma que se puede percibir por otros;

4) transmisión del mensaje o meme a uno o más individuos. Esta última etapa es seguida otra vez por la etapa 1, cerrando así el ciclo de la réplica. En cada etapa hay selección, lo que implica que algunos memes serán eliminados. 4.6 Nanotecnología La idea de los científicos que desarrollan proyectos nanotecnológicos no solo aspira a la ubicación de átomos a nivel individual, sino a la creación de máquinas moleculares capaces de crear, átomo a átomo, todo lo que hoy nos rodea o lo que deseemos tener en el futuro. En las palabras del propio Eric Drexler: "Puestos en orden de una manera, los átomos componen aire, tierra, agua. Con otro diseño, los átomos forman unas fabulosas fresas frescas."[15] Para llegar ahí, hay que crear máquinas de ensamblaje molecular, que a su vez crearan otras mayores. Este proceso sigue hasta que las maquinas de ensamblaje quedan configurar el producto final, utilizando como única materia prima átomos [16]. Se plantea que dichas máquinas de ensamblaje tengan una arquitectura similar a la del constructor universal de Von Neumann. 4.7 Embriónica Se basa en el mecanismo de desarrollo de seres vivientes multicelulares. Iniciando de una simple célula madre (el cigote) que contiene la descripción completa del organismo en la forma de un genoma, el organismo final es obtenido de la división sucesiva de la célula, junto con un proceso de diferenciación de cada célula (especialización) dependiente especialmente de la posición física de la célula (sus coordenadas en un espacio dado). El objetivo final es el desarrollo de sistemas lógicos programables de gran complejidad (FPGAs) capaces no solo de realizar una función cualquiera, sino de tener propiedades nuevas como auto-reparación, auto-reproducción, cruzamiento y evolución. La concepción de tales circuitos se pretende de la imitación de mecanismos biológicos en particular los procesos de división y de diferenciación celular.

4.8 Vida Artificial La vida artificial es la implementación en sistemas de cómputo de las leyes que rigen y dieron origen a los seres vivos. Una aplicación práctica de la vida artificial es la solución de problemas complejos sin necesidad de aplicar un algoritmo especifico resultante del análisis del problema. Podríamos plantear dicho problema como un ambiente, luego usaríamos los algoritmos de vida artificial y solo seria cuestión de esperar; las soluciones a dicho problema la plantearían las diferentes especies virtuales que se han originado tratando de adaptarse a ese ambiente [10]. Algunos problemas que se abordan en esta disciplina son [17]:

La definición de vida y de sistema vivo. Vida y computación. Sistemas autoorganizados. Auto-replicación. Aprendizaje evolutivo. Técnicas de optimización. Algoritmos genéticos. Adaptación dinámica de los Sistemas Complejos.

6. Conclusiones Hay muchos ideas simples en la naturaleza, como la auto-reproducción. Inspirarnos en ellas y llevarlas al mundo de las computadoras puede arrojar resultados sorpresivos y útiles. Como se ha expuesto, las líneas de investigación son variadas y seguramente hay más por explorar. El solo hecho de variar las condiciones donde se realiza la copia del componente puede causar comportamientos emergentes, que no deben ser considerados como errores, sino como posibles alternativas de solución. Esto puede llevarnos en un futuro a la posible implementación del concepto de:

Bioestésis [de bios + (sin)tesis]: término general para cualquier proceso mediante el cual un sistema se rediseña y reconstruye a sí mismo. Auto-evolución.

Aunque puede parecer ilusorio, Jack Harich ha planteado generaciones avanzadas de software [18] que podrán presentar este comportamiento. Lo que hay que hacer para lograrlo es experimentar.

Referencias

[1] Theory of Self-Reproducing Automata, Univ. of Illinois Press, Urbana IL. von Neumann, John and Arthur W. Burks. 1966. [2] Zooland http://surf.de.uu.net/zooland/ [3] Self Reproducing Cellular Automata Loops http://ourworld.compuserve.com/homepages/cdosborn/caworld.html [4] HAL - Hardware Artificial Life http://www.alife.co.uk/hal/index.html [5] Movies of Self-Reproduction in 3D-RCA http://kelp.ke.sys.hiroshima-u.ac.jp/projects/rca/sr3d/movies/movies.html [6] Nanotechnology http://www.zyvex.com/nano/ [7] Create a Car on an Assembly Line http://www.sos.state.mi.us/history/museum/techstuf/erlyauto/createcar.html [8] Patterns and Software: Essential Concepts and Terminology. Brad Appleton . http://www.enteract.com/~bradapp/ [9] Advanced Automation for Space Missions. Edited by Robert A. Freitas, Jr., et.al. http://www.islandone.org/MMSG/aasm/AASMIndex.html [10] ¿Qué es la vida artificial? http://www.geocities.com/krousky/Espanol/DefiVida.htm [11] Análisis de sistemas de producción animal. Tomo 1: Las bases conceptuales. J. Wadsworth http://www.fao.org/DOCREP/004/W7451S/W7451S00.htm [12] Virus informáticos: una forma de vida artificial. Eugene Spafford http://www.mecad.org/e-journal/archivo/numero3/ [13] TIEMPO Y ENVEJECIMIENTO CELULAR http://www.jfc.cl/esp/envejecimiento.htm [14] Memetic life cycle http://pespmc1.vub.ac.be/MEMEREP.html

[15] Engines of Creation. The Coming Era of Nanotechnology. K. Eric Drexler http://www.foresight.org/EOC [16] Nanotecnología http://www.iespana.es/gaiaxxi/nanotecnologia-quees.htm [17]Autómatas Celulares y Vida Artificial. Francisco Jimenez Morales http://complex.us.es/~jimenez/CA/ac/ac.html

[18] The myth of code-centricity. Jack Harich. http://www.javaworld.com/javaworld/jw-08-2001/jw-0824-myth_p.html