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자기 복제

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목차

1. 개요

자기 복제는 스스로를 복제하는 시스템의 특징을 의미하며, 생명의 기본적인 특징이자 공학, 컴퓨터 과학 등 다양한 분야에서 연구되고 있다. 생명체는 DNA, RNA를 기반으로 자기 복제를 하며, 폰 노이만의 연구를 통해 자기 복제 시스템의 이론적 기초가 마련되었다. 자기 복제는 자연 복제, 독립영양생물 복제, 기계적 자기 복제 등 다양한 유형으로 분류되며, 기계적 자기 복제는 클랭킹 리플리케이터, 자기 조립 등의 형태로 연구된다. 이러한 연구는 나노기술, 우주 탐사, 산업 생산 등 다양한 분야에 응용될 수 있으며, 컴퓨터 과학에서는 쿼인과 같은 자기 복제형 프로그램, 컴퓨터 바이러스와 웜, 밈 등이 자기 복제와 관련된 개념으로 다루어진다. 자기 복제 기술은 윤리적, 사회적 문제와도 연결되어 있으며, 그레이 구 시나리오, 일자리 감소, 생명 윤리 등의 문제에 대한 논의가 필요하다.

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    그레이 구는 분자 나노기술의 자기 복제 기계가 통제 불능 상태로 증식하여 지구를 파괴할 수 있다는 가설이며, 기술 윤리, 특히 나노기술의 잠재적 위험성을 논의하는 데 중요한 개념으로 활용된다.
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자기 복제

2. 역사적 배경

자기 복제는 생명의 기본적인 특징이다. 생명 진화 과정에서 이중 가닥 폴리뉴클레오타이드(RNA)와 유사한 분자가 단일 가닥 폴리뉴클레오타이드로 분해되고, 각 가닥이 상보적인 가닥 합성을 위한 템플릿 역할을 하여 두 개의 이중 가닥 복제본을 생성하면서 자기 복제가 나타났다는 가설이 제시되었다.[4] 이러한 시스템에서 서로 다른 뉴클레오타이드 서열을 가진 개별 이중 나선 복제자는 사용 가능한 모노뉴클레오타이드 자원을 놓고 서로 경쟁하여, 가장 "적합한" 서열에 대한 자연 선택이 시작된다.[1] 초기 생명체 복제는 돌연변이를 생성하여 폴리뉴클레오타이드의 접힘 상태에 영향을 미쳐 가닥 연관성(안정성 촉진) 및 해리(게놈 복제 허용)의 경향에 영향을 미치는 등 정확성이 낮았을 가능성이 높다. 살아있는 시스템의 질서 진화는 물리적 시스템에도 적용되는 근본적인 질서 생성 원리의 한 예로 제시되었다.[5]

2. 1. 폰 노이만의 공헌

존 폰 노이만[2]의 초기 연구는 복제자가 일반적으로 다음과 같은 여러 부분으로 구성되어 있음을 보여주었다.

  • 게놈: 복제자에 저장된 알고리즘을 기술한 것으로, 콤팩트하고 오류 수정이 가능하다. 생물의 경우 DNA가 이에 해당한다.
  • 본체를 구성하는 자원을 사용하여 게놈을 복사하거나 복구하는 특수한 기구. 생물에서는 전사 효소와 같은 것에 해당한다.
  • 본체: 자원과 에너지를 가지고, 저장된 알고리즘을 해석 실행한다. 생물에서는 리보솜에 해당한다.


이러한 패턴이 아닌 구성도 생각할 수 있다. 예를 들어, 특정 환경에서 스스로를 복사하는 RNA 구축에 성공한 예가 있다. 이 경우, 본체와 게놈은 동일하며, 복제 기구는 외부에 있다.

로봇 공학의 궁극적인 목표 중 하나는 기계의 자기 복제이다. 자기 복제 기계를 "폰 노이만 머신"이라고 부르기도 하는데, 컴퓨터의 아키텍처(폰 노이만 구조)도 동일하게 지칭하기 때문에 다소 모호한 용어이다.

나노 스케일에서는 K. 에릭 드렉슬러의 어셈블러를 통해 자체 동력원을 사용한 자기 복제가 가능해질 수 있다. 그러나 이러한 기술은 "그레이 구"라고 불리는 일종의 종말을 초래할 가능성도 있으며, 소설 《프레이 - 사냥감 -》 등에서 묘사된다. 포사이트 연구소는 기계적 자기 복제 연구자를 위한 가이드라인을 발표했다[24]。

2. 2. 생화학 및 분자생물학의 발전

존 폰 노이만[2]은 복제자가 코딩된 표현, 코딩된 표현을 복사하는 메커니즘, 복제자의 호스트 환경 내에서 구성을 수행하는 메커니즘을 가진다고 보았다. 과학자들은 RNA 단량체와 전사 효소 용액인 "환경"에서 복제될 수 있는 RNA를 구축하는 데 근접했지만, 이러한 시스템은 "자기 복제"보다 "보조 복제"로 더 정확하게 특징지어진다.[3]

자기 복제는 생명의 기본적인 특징이다. 생명 진화 과정에서 이중 가닥 폴리뉴클레오타이드와 유사한 분자(아마도 RNA)가 단일 가닥 폴리뉴클레오타이드로 분해되고, 각 가닥이 상보적인 가닥 합성을 위한 템플릿 역할을 하여 두 개의 이중 가닥 복제본을 생성하면서 자기 복제가 나타났다는 가설이 제시되었다.[4] 이러한 초기 형태의 생명체 복제는 돌연변이를 생성하여 정확성이 낮았을 가능성이 높다.[5]

3. 이론적 기초

존 폰 노이만은 초기 연구에서 복제자가 일반적으로 게놈, 복제 기구, 본체의 세 부분으로 구성된다고 보았다. 하지만 이러한 패턴이 아닌 다른 구성도 가능하다. 예를 들어 특정 환경에서 스스로 복제하는 RNA는 본체와 게놈이 동일하며, 복제 기구는 외부에 존재한다. 가장 단순한 경우는 게놈만 존재하는 경우인데, 자기 복제 사양이 없는 게놈만의 시스템은 결정과 같은 것으로 볼 수 있다.[18]

최근 연구에서는 복제자를 외부 지원의 양에 따라 분류하기도 한다.

종류설명
자연계의 복제자인간에게서 유래하지 않은 설계. 자연계의 생명 형태를 포함한다.
독립영양생물적 복제자스스로 자기 복제를 할 수 있으며, 복제에 필요한 재료를 스스로 만들어낸다. 비생물적 독립영양생물적 복제자는 인간에게 유용한 제품 생산에 이용될 수 있다.
금속 재료/도선 기반 자기 복제 시스템금속 재료나 도선 등을 재료로 하여 공업 생산처럼 자기 복제를 수행한다.
자기 조립 시스템완성된 부품을 사용하여 자신의 복사본을 조립한다. 큰 규모에서는 단순한 예가 몇 가지 있다.



기계적 복제자의 설계 범위는 매우 넓다. 로버트 프레이타스와 랄프 마클은 포괄적인 연구를 통해 137개의 설계 관점을 12개의 범주로 분류했다.[19]

3. 1. 폰 노이만의 모델

존 폰 노이만[2]은 초기 연구에서 복제자가 일반적으로 다음과 같은 여러 부분으로 구성된다고 보았다.

  • '''게놈''': 복제자에 저장된 알고리즘을 기술한 것으로, 콤팩트하고 오류 수정이 가능하다. 생물의 경우 DNA가 이에 해당한다.
  • '''복제 기구''': 본체를 구성하는 자원을 사용하여 게놈을 복사하거나 복구하는 특수한 기구군이다. 생물에서는 전사 효소와 같은 것에 해당한다.
  • '''본체''': 자원과 에너지를 가지고, 저장된 알고리즘을 해석 실행한다. 생물에서는 리보솜에 해당한다.


이러한 패턴이 아닌 구성도 생각할 수 있다. 예를 들어, 특정 환경에서 스스로를 복사하는 RNA를 구축하는 데 성공한 예가 있다. 이 경우, 본체와 게놈은 동일하며, 복제 기구는 외부에 있다.

그러나 생각할 수 있는 가장 단순한 경우는 게놈만 존재하는 경우이다. 자기 복제에 관한 사양이 없는 경우, 게놈만의 계는 결정과 같은 것으로 생각할 수 있다.[3]

4. 자기 복제의 유형

자기 복제는 생물학적, 기계적, 정보적 시스템 등 다양한 수준에서 나타난다. 최근 연구[6]에서는 복제자가 필요로 하는 지원의 양에 따라 복제자를 분류하기 시작했다.


  • 자연 복제자: 인간이 아닌 자원으로부터 설계의 전부 또는 대부분을 얻는다. 이러한 시스템에는 자연적인 생명체가 포함된다.
  • 독립영양생물 복제자: "자연 상태"에서 스스로를 복제할 수 있다. 자체 재료를 채굴한다. 비생물학적 자가영양생물 복제자는 인간에 의해 설계될 수 있으며 인간 제품에 대한 사양을 쉽게 수용할 수 있을 것으로 추정된다.
  • 자기 재생산 시스템: 금속 막대와 와이어와 같은 산업 원자재로부터 자신의 복사본을 생성하는 것으로 추정되는 시스템이다.
  • 자기 조립 시스템: 완성된 부품을 조립하여 자신의 복사본을 조립한다. 이러한 시스템의 간단한 예가 거시적 규모에서 시연되었다.[6]


로버트 프리타스와 랄프 머클이 수행한 종합 연구[7]에 따르면, 기계 복제자의 설계 공간은 매우 넓으며, 137개의 설계 차원이 12개의 개별 범주로 그룹화되었다.

(1) 복제 제어, (2) 복제 정보, (3) 복제 기질, (4) 복제자 구조, (5) 수동 부품, (6) 활성 하위 유닛, (7) 복제자 에너지, (8) 복제자 운동학, (9) 복제 과정, (10) 복제자 성능, (11) 제품 구조, (12) 진화 가능성

컴퓨터 과학에서 콰인은 실행될 때 자체 코드를 출력하는 자기 복제 컴퓨터 프로그램이다. 파이썬 프로그래밍 언어에서 콰인의 예시는 다음과 같다.

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

더 간단한 방법은 지시된 모든 데이터 스트림의 복사본을 만드는 프로그램을 작성한 다음, 그 복사본을 자신에게 지시하는 것이다. 이 경우 프로그램은 실행 가능한 코드와 조작할 데이터로 모두 취급된다. 이 방법은 생물학적 생명을 포함하여 대부분의 자기 복제 시스템에서 일반적이며, 프로그램이 자체에 대한 완전한 설명을 포함할 필요가 없으므로 더 간단하다.

많은 프로그래밍 언어에서 빈 프로그램이 유효하며 오류나 다른 출력을 생성하지 않고 실행된다. 따라서 출력은 소스 코드와 동일하므로 프로그램은 간단하게 자기 복제된다.

다음 분야에서 자기복제 연구가 진행되었다.

  • 생물학: 유기체 및 세포의 자연적인 복제 및 복제자와 그들의 상호 작용에 대한 연구. 개체군 동태, 정족수 감지, 자가소화 경로와 같은 하위 분야가 포함된다.
  • 화학: 특정 분자 집합이 집합 내에서 서로 복제하기 위해 어떻게 함께 작용할 수 있는지에 대한 연구.[13]
  • 생화학: 간단한 ''생체 외'' 리보솜 자기 복제 시스템이 시도되었지만,[14] 무한정의 ''생체 외'' 리보솜 자기 복제는 아직 달성되지 못했다.
  • 나노기술: 나노 규모의 조립기를 만드는 것과 관련이 있다.
  • 우주 자원: NASA는 우주 자원을 채굴하기 위해 자기 복제 메커니즘을 개발하기 위한 여러 설계 연구를 후원했다.
  • 밈학: 리처드 도킨스가 1976년 저서 이기적 유전자에서 제안한 밈은 정보 바이러스와 유사하며 종종 바이러스로 묘사된다.
  • 컴퓨터 보안: 컴퓨터 웜과 컴퓨터 바이러스에 의해 발생하는 문제.
  • 병렬 컴퓨팅: 이동 에이전트를 사용하여 노드 간에 코드를 자기 복제.

4. 1. 생물학적 자기 복제

생물학적 자기 복제는 생명체의 가장 기본적인 특징이다. 생명 진화 과정에서 이중 가닥 폴리뉴클레오타이드(RNA와 같은)가 단일 가닥 폴리뉴클레오타이드로 분해되고, 각 가닥이 상보적인 가닥 합성을 위한 템플릿 역할을 하여 두 개의 이중 가닥 복제본을 생성하면서 나타났다는 가설이 제시되었다.[4] 이러한 시스템에서 서로 다른 뉴클레오타이드 서열을 가진 개별 이중 나선 복제자는 사용 가능한 모노뉴클레오타이드 자원을 놓고 서로 경쟁하여, 가장 "적합한" 서열에 대한 자연 선택이 시작된다.[1] 초기 생명체 복제는 돌연변이를 생성하여 폴리뉴클레오타이드의 접힘 상태에 영향을 미치는 등 정확성이 낮았을 가능성이 높다. 살아있는 시스템의 질서 진화는 물리적 시스템에도 적용되는 근본적인 질서 생성 원리의 한 예로 제시되었다.[5]

점토 결정에서 발생하는 자기 복제는 DNA 또는 RNA에 기반하지 않는다.[10] 점토는 많은 수의 작은 결정으로 구성되어 있으며, 결정 성장을 촉진하는 환경이다. 결정은 원자의 규칙적인 격자로 구성되며, 결정 성분을 포함하는 수용액에 놓으면 성장할 수 있다. 결정 경계에서 원자를 결정 형태로 자동 배열한다. 결정은 규칙적인 원자 구조가 파괴되는 불규칙성을 가질 수 있으며, 결정이 성장할 때 이러한 불규칙성은 전파되어 결정 불규칙성의 자기 복제 형태를 생성할 수 있다.

자기 복제 연구는 다음 분야에서 진행되었다.

  • 생물학: 유기체 및 세포의 자연적인 복제 및 복제자와 그들의 상호 작용에 대한 연구. 개체군 동태, 정족수 감지, 자가소화 경로와 같은 하위 분야가 포함된다.
  • 화학: 특정 분자 집합이 집합 내에서 서로 복제하기 위해 어떻게 함께 작용할 수 있는지에 대한 연구.[13]
  • 생화학: 간단한 ''생체 외'' 리보솜 자기 복제 시스템이 시도되었지만,[14] 무한정의 ''생체 외'' 리보솜 자기 복제는 아직 달성되지 못했다.
  • 나노기술: 나노 규모의 조립기를 만드는 것과 관련이 있다.
  • 우주 자원: NASA는 우주 자원을 채굴하기 위해 자기 복제 메커니즘을 개발하기 위한 여러 설계 연구를 후원했다.
  • 밈학: 리처드 도킨스가 1976년 저서 이기적 유전자에서 제안한 밈은 정보 바이러스와 유사하며 종종 바이러스로 묘사된다.
  • 컴퓨터 보안: 컴퓨터 웜과 컴퓨터 바이러스에 의해 발생하는 문제.
  • 병렬 컴퓨팅: 이동 에이전트를 사용하여 노드 간에 코드를 자기 복제.


존 폰 노이만의 초기 연구를 통해 전형적인 복제자가 게놈, 특수한 기구, 본체 등의 여러 부분으로 구성되어 있다는 것이 밝혀졌다. 가장 단순한 경우는 게놈만 존재하는 경우이다. 자기 복제에 관한 사양이 없는 경우, 게놈만의 계는 결정과 같은 것으로 생각할 수 있다.

최근 연구에서는[18] 복제자를 분류하고 있으며, 이들이 필요로 하는 외부 지원의 양으로 분류하는 경우가 많다.

  • 자연계의 복제자는 대부분 인간에게서 유래하지 않은 설계이다.
  • 독립영양생물적 복제자는 스스로 자기 복제를 할 수 있다.
  • 금속 재료나 도선 등을 재료로 하여 공업 생산처럼 자기 복제를 수행하는 자기 복제 시스템도 생각할 수 있다.
  • 자신의 복사본을 조립하는 자기 조립 시스템도 생각할 수 있다.


기계적 복제자의 설계 범위는 매우 넓다. 로버트 프레이타스와 랄프 마클에 의해 포괄적인 연구가 이루어졌으며,[19] 137개의 설계 관점이 12개의 범주로 분류되었다.

4. 1. 1. 세포 복제

세포 분열은 가장 기본적인 생물학적 자기 복제 형태이다. 진핵세포의 유사분열과 체세포분열, 원핵세포의 이분법 등이 있다.[4]

4. 1. 2. 분자 수준의 복제

존 폰 노이만의 초기 연구[2]에 따르면 복제자에는 코딩된 표현, 코딩된 표현을 복사하는 메커니즘, 복제자의 호스트 환경 내에서 구성을 수행하는 메커니즘 등 여러 부분이 존재한다. 이러한 패턴의 예외가 있을 수 있지만, 알려진 거의 모든 사례는 이를 따른다.

자기 복제는 생명의 기본적인 특징이다. 자기 복제는 생명 진화 과정에서 이중 가닥 폴리뉴클레오타이드와 유사한 분자(아마도 RNA와 같음)가 단일 가닥 폴리뉴클레오타이드로 분해되고, 각 가닥이 상보적인 가닥 합성을 위한 템플릿 역할을 하여 두 개의 이중 가닥 복제본을 생성하면서 나타났다는 가설이 제시되었다.[4] 이러한 시스템에서 서로 다른 뉴클레오타이드 서열을 가진 개별 이중 나선 복제자는 사용 가능한 모노뉴클레오타이드 자원을 놓고 서로 경쟁할 수 있으며, 이로써 가장 "적합한" 서열에 대한 자연 선택이 시작된다.[1] 초기 생명체 복제는 돌연변이를 생성하여 폴리뉴클레오타이드의 접힘 상태에 영향을 미치는 등 정확성이 낮았을 가능성이 높다.[5]

과학자들은 RNA 단량체와 전사 효소 용액인 "환경"에서 복제될 수 있는 RNA를 구축하는 데 근접했지만, 이러한 시스템은 "자기 복제"보다 "보조 복제"로 더 정확하게 특징지어진다. 2021년 연구자들은 16개의 특별히 설계된 DNA 서열을 가진 시스템을 구축하는 데 성공했다. 이 중 4개는 온도 변화를 통해 이미 연결된 4개의 서열 템플릿에 따라 특정 순서로 연결될 수 있다(염기 쌍 결합을 통해). 따라서 각 사이클에서 템플릿 복사본 수가 증가한다. 효소와 같은 외부 물질은 필요하지 않지만, 시스템은 16개의 DNA 서열 저장소를 공급받아야 한다.[3]

점토 결정에서 발생하는 자기 복제의 한 형태는 DNA 또는 RNA에 기반하지 않는다.[10] 점토는 많은 수의 작은 결정으로 구성되어 있으며, 결정 성장을 촉진하는 환경이다. 결정은 원자의 규칙적인 격자로 구성되며, 예를 들어 결정 성분을 포함하는 수용액에 놓으면 성장할 수 있다. 자동으로 결정 경계에서 원자를 결정 형태로 배열한다. 결정은 규칙적인 원자 구조가 파괴되는 불규칙성을 가질 수 있으며, 결정이 성장할 때 이러한 불규칙성은 전파되어 결정 불규칙성의 자기 복제 형태를 생성할 수 있다.

가능한 가장 단순한 경우는 유전자만 존재하는 경우이다. 자기 복제 단계에 대한 일부 사양이 없으면 유전자만 있는 시스템은 결정과 같은 것으로 더 잘 특징지어진다.

4. 1. 3. 생물 개체의 복제

생물은 유성 생식과 무성 생식을 통해 개체 수준의 자기 복제를 한다. 식물의 꺾꽂이, 동물의 출아법 등이 무성 생식의 예시이다. 자연계의 복제자는 그 전부(혹은 대부분)가 인간에게서 유래하지 않은 설계이다. 이러한 계통에는 자연계의 생명 형태가 포함된다.[18]

4. 2. 기계적 자기 복제

기계적 자기 복제는 스스로 부품을 조달하고 조립하여 자신의 복제품을 만드는 기계를 의미한다. 최근 연구[6]에서는 필요로 하는 지원의 양에 따라 복제자를 분류하기 시작했다.

  • 자연 복제자: 인간이 아닌 자원으로부터 설계의 전부 또는 대부분을 얻는다. 자연적인 생명체가 이에 해당한다.
  • 자가영양생물 복제자: "자연 상태"에서 스스로를 복제할 수 있다. 자체 재료를 채굴한다. 비생물학적 자가영양생물 복제자는 인간이 설계할 수 있으며, 인간 제품에 대한 사양을 쉽게 수용할 수 있을 것으로 추정된다.
  • 자기 재생산 시스템: 금속 막대나 와이어와 같은 산업 원자재로부터 자신의 복사본을 생성하는 것으로 추정되는 시스템이다.


로버트 프리타스와 랄프 머클은 기계 복제자의 설계 공간이 매우 넓으며, 137개의 설계 차원을 12개의 범주로 그룹화하여 종합적으로 연구했다.[7] 12개의 범주는 다음과 같다.

(1) 복제 제어, (2) 복제 정보, (3) 복제 기질, (4) 복제자 구조, (5) 수동 부품, (6) 활성 하위 유닛, (7) 복제자 에너지, (8) 복제자 운동학, (9) 복제 과정, (10) 복제자 성능, (11) 제품 구조, (12) 진화 가능성

로봇 공학 분야에서는 기계의 자기 복제가 연구되고 있다. 자기 복제 로봇은 다음 능력을 갖춰야 한다.

  • 건설 자재 확보
  • 가장 작은 부품과 사고 장치를 포함한 새로운 부품 제조
  • 일관된 전원 공급
  • 새로운 구성원 프로그래밍
  • 자손의 오류 수정


나노 기술 규모에서 어셈블러(나노기술)는 자체 동력으로 자기 복제하도록 설계될 수 있다. 이는 과학 소설 ''프레이''에 등장하는 "그레이 구" 버전의 종말론을 야기할 수도 있다.

포사이트 연구소는 기계적 자기 복제 연구자를 위한 지침을 발표했다.[12] 이 지침은 연구자들이 방송 아키텍처를 사용하는 등 기계적 복제기가 통제 불능 상태가 되는 것을 방지하기 위해 몇 가지 특정 기술을 사용할 것을 권장한다.

4. 2. 1. 클랭킹 리플리케이터

클랭킹 리플리케이터는 공학 분야에서 오랫동안 연구되어 온 개념으로, 자기 복제를 통해 생산 비용을 획기적으로 낮출 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이는 자기 복제가 기존 공장에서 생산되는 노동, 자본 및 유통 비용을 절약하기 때문이다. 많은 관계자들은 자가 복제 품목의 한계 비용이 목재 또는 기타 생물학적 물질의 무게당 비용에 접근해야 한다고 말한다.

미국 항공 우주국(NASA)의 연구에 따르면, 클랭킹 리플리케이터의 복잡성은 인텔의 펜티엄 4 CPU와 비슷한 수준이다.[11] 즉, 이 기술은 합리적인 비용과 시간 안에 비교적 소규모의 엔지니어링 그룹으로 달성할 수 있다고 평가된다.

4. 2. 2. 자기 조립

자기 조립은 완성된 부품들을 조립하여 자신의 복사본을 만드는 시스템이다. 거시적 규모에서 이러한 시스템의 간단한 예가 시연되었다.[6]

4. 3. 정보적 자기 복제

정보적 자기 복제는 컴퓨터 프로그램, 밈 등 정보 자체가 복제되는 현상을 말한다.

컴퓨터 과학에서 자기 복제 프로그램은 실행될 때 자체 코드를 출력하는 프로그램으로, 콰인이라고 부른다.

많은 프로그래밍 언어에서 빈 프로그램도 유효하며, 오류 없이 실행되어 아무것도 출력하지 않는다. 이 경우 출력은 소스 코드와 동일하므로, 이러한 빈 프로그램은 가장 단순한 자기 복제라고 할 수 있다.

4. 3. 1. 콰인 (컴퓨팅)

컴퓨터 과학에서 콰인(quine)은 실행될 때 자체 코드를 출력하는 자기 복제 컴퓨터 프로그램이다. 파이썬 프로그래밍 언어에서 콰인의 예시는 다음과 같다.

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

더 간단한 방법은 지시된 모든 데이터 스트림의 복사본을 만드는 프로그램을 작성한 다음, 그 복사본을 자신에게 지시하는 것이다. 이 경우 프로그램은 실행 가능한 코드와 조작할 데이터로 모두 취급된다. 이 방법은 생물학적 생명을 포함하여 대부분의 자기 복제 시스템에서 일반적이며, 프로그램이 자체에 대한 완전한 설명을 포함할 필요가 없으므로 더 간단하다.

많은 프로그래밍 언어에서 빈 프로그램이 유효하며 오류나 다른 출력을 생성하지 않고 실행된다. 따라서 출력은 소스 코드와 동일하므로 프로그램은 간단하게 자기 복제된다.

4. 3. 2. 컴퓨터 바이러스와 웜

컴퓨터 과학에서 자기 복제 프로그램은 실행하면 자기 자신의 코드를 출력하는 프로그램이다. 이를 쿼인이라고 부른다. 더 간단한 방법으로는 입력된 데이터 열을 복사하는 프로그램이 있으며, 해당 프로그램에 프로그램 자체를 데이터로 입력하는 경우가 있다. 이 경우 프로그램은 실행 코드로 취급되는 동시에 조작 대상의 데이터로도 취급된다.

4. 3. 3. 밈

밈은 리처드 도킨스가 제시한 개념으로, 문화적 정보의 자기 복제 단위를 의미하며, 바이러스와의 유사성이 자주 지적된다.[2] 밈은 모방을 통해 전파되며, 인터넷 밈은 온라인에서 빠르게 확산되는 대표적인 예시이다.

5. 자기 복제 연구의 응용 분야

자기 복제 기술은 여러 분야에 적용될 수 있는 가능성을 가지고 있다.


  • '''나노기술''': 분자 나노기술은 나노 크기의 조립기를 만드는 것을 목표로 한다. 자기 복제가 없다면 분자 기계의 생산 및 조립 비용이 매우 커진다.[13] 2011년 뉴욕 대학교 과학자들은 자기 복제가 가능한 인공 구조물을 개발하여, 새로운 물질 생산의 가능성을 열었다.[16][17]

  • '''우주 탐사 및 개발''': NASA는 우주 자원 채굴 등에 사용될 자기 복제 기계 연구를 지원했다.[15] 자기 복제는 발사되는 질량 대비 우주 공간에서 대량의 원료를 확보하는 것을 목표로 한다. 예를 들어, 독립 영양 생물적인 자기 복제 기계로 달이나 소행성을 덮어 에너지를 지구로 보낼 수 있다. 자기 복제 우주선을 이용해 우주 탐사를 할 수도 있다.[15] 1980년 NASA는 로버트 프레이타스의 편집으로 우주 복제자에 대한 이론적 연구 보고서를 수행했다.[15]

  • '''산업 생산''': 자기 복제 물질 장치인 클랭킹 리플리케이터를 만드는 것은 일부 공학 분야의 장기 목표이다. 제조 원가를 낮추면서 제품의 유용성을 유지하기 위해서이다. 관계자들은 자가 복제 품목의 한계 비용이 목재 등의 생물학적 물질 무게당 비용에 근접해야 한다고 말한다. 이는 자기 복제가 기존 공장의 노동, 자본, 유통 비용을 절감하기 때문이다.[11] NASA의 최근 연구에 따르면 클랭킹 리플리케이터의 복잡성은 인텔의 펜티엄 4 CPU와 거의 같다.[22]

  • '''컴퓨터 과학''': 컴퓨터 과학에서 자기 복제 프로그램은 실행 시 자신의 코드를 출력하는 프로그램(쿼인)이다. 자기 복제 연구는 병렬 컴퓨팅, 컴퓨터 보안 등의 분야에서 이루어지고 있다.

  • '''생명 공학''': 생명 공학은 현재 가장 관심과 투자가 활발한 분야이다. 그러나 기존 세포의 자기 복제 능력을 이용하는 것은 한계가 있어, 더 광범위한 재료 합성이 가능한 새로운 복제자를 설계해야 한다.[27] 2011년 뉴욕 대학교 과학자들은 자기 복제가 가능한 인공 구조물을 개발하여 새로운 유형의 물질을 생산할 수 있는 가능성을 열었다.[16][17]

5. 1. 나노기술

분자 나노기술은 나노 규모에서 조립기를 만드는 것을 목표로 한다. 자기 복제가 없다면 분자 기계의 자본 및 조립 비용은 매우 커진다.[13] 나노기술에 대한 많은 상향식 접근 방식은 생화학적 또는 화학적 자기 조립을 활용한다.

특히 나노기술 과학자들은 인간이 나노미터 크기의 자기 복제 조립기를 설계하기 전까지는 자신들의 연구가 성숙 단계에 도달하기 어려울 것이라고 믿고 있다.

이러한 시스템은 정제된 원료와 에너지를 제공받기 때문에 자가영양 시스템보다 훨씬 간단하다. 원료와 에너지를 자체적으로 생산할 필요가 없기 때문이다. 이러한 차이점은 분자 제조의 가능성에 대한 논쟁의 근본을 이루고 있다. 분자 제조가 불가능하다고 생각하는 많은 전문가들은 복잡한 자가영양 자기 복제 시스템에 대한 자료를 인용하고, 분자 제조가 가능하다고 생각하는 많은 전문가들은 이미 입증된 훨씬 간단한 자기 조립 시스템에 대한 자료를 인용한다.

2011년, 뉴욕 대학교 과학자들은 자기 복제할 수 있는 인공 구조물을 개발했는데, 이는 새로운 유형의 물질을 생산할 잠재력을 가지고 있다.[16][17] 그들은 세포 DNA나 RNA와 같은 분자뿐만 아니라 원칙적으로 다양한 모양을 가질 수 있고, 다양한 기능적 특징을 가질 수 있으며, 다양한 유형의 화학 물질과 연관될 수 있는 개별 구조물을 복제하는 것이 가능하다는 것을 입증했다.

나노 스케일에서는 K. 에릭 드렉슬러의 어셈블러를 통해 자체 동력원을 사용한 자기 복제가 가능해질 수 있다. 그러나 이러한 기술은 "그레이 구"라고 불리는 일종의 종말을 초래할 가능성도 있다.

5. 2. 우주 탐사 및 개발

NASA는 우주 자원 채굴 등에 사용되는 자기 복제 기계 연구를 지원해 왔다.[15] 그 중 다수는 컴퓨터 제어의 자기 복제 가능한 기계이다. 우주 개발에서의 자기 복제는 발사되는 질량에 비해 대량의 원료를 우주 공간에서 확보하는 것을 목표로 한다. 예를 들어, 태양 전지를 갖춘 독립 영양 생물적인 자기 복제 기계로 달이나 소행성을 덮고, 거기서 얻은 에너지를 마이크로파로 지구로 보낼 수 있다. 자기 복제가 가능하므로 지구에서 대량으로 제조할 필요가 없으며, 소수의 기계를 발사하여 배치하면 대량 생산 가능한 공장이 우주에 나타난다. 다른 자기 복제 기계로는, 우주 탐사를 수행하는 자기 복제 우주선이 있다.[15]

일반적으로 이 시스템은 독립 영양 생물적이며, 생각할 수 있는 인공 복제자 중 가장 복잡하다. 또한, 원격지에서 자기 복제하기 때문에 인간이 지시할 수도 없어 자율적으로 동작해야 한다는 점도 실현을 어렵게 한다.

1980년 NASA는 로버트 프레이타스의 편집으로 우주에서의 복제자에 대한 이론적 연구 보고서를 수행했다.[15] 이 연구는 주로 달의 달 토양을 원료로 했을 때, 자기 복제에 필요한 원소와 달 토양의 조성이 어떻게 다른지가 중심이었다. 부족하다고 생각되는 원소는 염소이며, 알루미늄을 정제하는 데 필요하다. 염소는 달의 달 토양에는 거의 포함되어 있지 않으며, 자기 복제의 속도를 높이기 위해서는 어느 정도의 염소를 발사할 필요가 있다고 했다.

이때의 기계 형태는, 선로를 달리는 컴퓨터 제어의 전동 카트와 같은 로봇이다. 각 카트에는 단순한 팔과 불도저와 같은 삽이 부착되어 있다. 전원은 상단의 태양 전지에서 얻는다. 기계는 그 아래에 있다. 부품 제조에는 주조 기술을 사용한다. 성형이 용이한 석고로 주형을 만든다. 흘려 넣는 재료는 전기 오븐에서 원료를 녹여서 만든다.

컴퓨터나 전자 기기를 제조하는 더 복잡한 칩 공장도 검토되었지만, 설계자들은 그것들을 지구에서 일종의 "비타민"으로 우주선으로 운반하는 것이 더 현실적이라고 지적하고 있다.[15]

5. 3. 산업 생산

자기 복제할 수 있는 물질 장치인 클랭킹 리플리케이터를 만드는 것은 일부 공학 분야의 장기적인 목표이다. 그 이유는 제조된 제품의 유용성을 유지하면서 항목당 저렴한 비용을 달성하기 위해서이다. 많은 관계자들은 자가 복제 품목의 한계 비용이 목재 또는 기타 생물학적 물질의 무게당 비용에 접근해야 한다고 말한다. 이는 자가 복제가 기존 공장에서 생산되는 노동, 자본, 유통 비용을 절약하기 때문이다.[11]

완전히 새로운 인공 복제기는 합리적인 단기 목표이다. 미국 항공 우주국(NASA)의 최근 연구에 따르면 클랭킹 리플리케이터의 복잡성은 인텔의 펜티엄 4 CPU와 거의 같다.[22] 즉, 이 기술은 합리적인 비용으로 합리적인 상업적 시간 척도 내에서 비교적 소규모의 엔지니어링 그룹으로 달성할 수 있다.

5. 4. 컴퓨터 과학

컴퓨터 과학에서 자기 복제 프로그램은 실행하면 자기 자신의 코드를 출력하는 프로그램이다. 이를 쿼인이라고 부른다. 다음은 Python의 예시이다.

:a='a=%s;print a%%`a`';print a%`a`

더 간단한 방법으로는 입력된 데이터 열을 복사하는 프로그램이 있으며, 해당 프로그램에 프로그램 자체를 데이터로 입력한다. 이 경우 프로그램은 실행 코드로 취급되는 동시에 조작 대상의 데이터로도 취급된다. 생명체를 포함하여 이러한 방법은 자기 복제 시스템에서 전형적이며, 프로그램 자체에 자신의 기술을 포함할 필요가 없다는 점에서 단순하다.

많은 프로그래밍 언어에서 빈 프로그램도 올바른 프로그램이며, 그러한 프로그램은 오류도 일으키지 않고 아무것도 출력하지 않는다. 즉, 이 경우의 출력은 소스 코드와 같으므로, 이러한 빈 프로그램이 가장 단순한 자기 복제라고도 할 수 있다.

자기 복제에 관한 연구는 다음과 같은 분야에서 이루어지고 있다.

  • 병렬 컴퓨팅 - 대규모 컴퓨터 클러스터나 분산 처리 시스템에서 모든 노드에 새로운 프로그램을 로드하는 데 시간이 걸린다. 모바일 에이전트는 자동으로 새로운 프로그램을 로드함으로써 시스템 관리자의 노력을 줄이고 결과를 더 빨리 얻을 수 있다는 장점이 있다.
  • 컴퓨터 보안 - 보안 문제의 대부분은 자기 복제형 프로그램(웜이나 컴퓨터 바이러스)의 침입으로 발생한다.

5. 5. 생명 공학

생명 공학은 현재 가장 관심이 높고 투자도 활발하게 이루어지는 분야이지만, 기존 세포의 자기 복제 능력을 이용하는 시도는 유의미한 통찰력과 진보를 가져오기 어렵다. 자연계 세포의 복제 능력은 단백질 합성에 한정되어 있어, 이를 이용하는 것만으로는 충분하지 않기 때문이다. 따라서 훨씬 광범위한 재료 합성이 가능한 완전히 새로운 복제자를 설계해야 한다.[27]

2011년, 뉴욕 대학교 과학자들은 자기 복제가 가능한 인공 구조물을 개발하여 새로운 유형의 물질을 생산할 수 있는 잠재력을 열었다. 이들은 세포 DNA나 RNA와 같은 분자뿐만 아니라, 다양한 모양과 기능적 특징을 가지며 다양한 유형의 화학 물질과 연관될 수 있는 개별 구조물을 복제할 수 있음을 입증했다.[16][17]

6. 윤리적, 사회적 문제

자기 복제 기술은 잠재적인 위험성과 윤리적 문제를 야기할 수 있다. K. 에릭 드렉슬러가 제시한 나노 스케일의 자기 복제 기술은 "그레이 구" 시나리오와 같은 종말을 초래할 수 있다는 우려가 있다. 또한, 자기 복제 기계는 노동, 자본, 유통을 불필요하게 만들어 제품 단가를 낮추고, 이는 일자리 감소로 이어질 수 있다는 문제점도 제기된다.[22]

6. 1. 그레이 구 시나리오

K. 에릭 드렉슬러의 어셈블러를 통해 나노 스케일에서 자체 동력원을 사용한 자기 복제가 가능해질 수 있다. 그러나 이러한 기술은 "그레이 구"라고 불리는 일종의 종말을 초래할 가능성도 있으며, 소설 《프레이 - 사냥감 -》 등에서 묘사된다. 포사이트 연구소는 기계적 자기 복제 연구자를 위한 가이드라인을 발표했다.[24] 이 가이드라인에서는 기계적 복제자가 제어에서 벗어나는 것을 방지하기 위한 몇 가지 기술을 권장한다.

6. 2. 일자리 감소

자기 복제 기계는 노동, 자본, 유통을 불필요하게 만들어, 제품 단가를 재료 무게 수준으로 낮출 수 있다.[22] 이는 일자리 감소를 야기할 수 있다.

참조

[1] 뉴스 'Lifeless' prion proteins are 'capable of evolution' http://news.bbc.co.u[...] 2010-01-01
[2] 서적 The Hixon Symposium
[3] 뉴스 Solving the Chicken-and-the-Egg Problem – "A Step Closer to the Reconstruction of the Origin of Life" https://scitechdaily[...] 2021-04-03
[4] 서적 Emergence of Biological Organization Yale University Press
[5] 간행물 The Darwinian Dynamic 1983-06
[6] 웹사이트 Kinematic Self-Replicating Machines - General Taxonomy of Replicators http://www.Molecular[...] 2004
[7] 웹사이트 Kinematic Self-Replicating Machines - Freitas-Merkle Map of the Kinematic Replicator Design Space (2003–2004) http://www.Molecular[...] 2004
[8] 웹사이트 Sphinx http://mathworld.wol[...]
[9] 웹사이트 Teaching TILINGS / TESSELLATIONS with Geo Sphinx http://www.geoaustra[...] 2016-03-08
[10] 웹사이트 The idea that life began as clay crystals is 50 years old http://www.bbc.com/e[...] bbc.com 2016-08-24
[11] 웹사이트 Modeling Kinematic Cellular Automata Final Report http://www.niac.usra[...] 2004-04-30
[12] 웹사이트 Molecular Nanotechnology Guidelines http://foresight.org[...] Foresight.org
[13] 서적 Constitutional Dynamic Chemistry Springer
[14] 간행물 Cogenerating Synthetic Parts toward a Self-Replicating System https://pubs.acs.org[...] 2017-07-21
[15] 문서 Advanced Automation for Space Missions
[16] 간행물 Self-replication of information-bearing nanoscale patterns
[17] 웹사이트 Self-replication process holds promise for production of new materials. https://www.scienced[...] 2011-10-17
[18] 웹사이트 5.1 General Taxonomy of Replicators http://www.Molecular[...] 2004
[19] 웹사이트 5.1.9 Freitas-Merkle Map of Kinematic Replicator Design Space http://www.Molecular[...] 2004
[20] 웹사이트 Sphinx http://mathworld.wol[...]
[21] 웹사이트 Teaching TILINGS / TESSELLATIONS with Geo Sphinx http://www.geoaustra[...]
[22] 웹사이트 Modeling Kinematic Cellular Automata Final Report http://www.niac.usra[...] 2004-04-30
[23] 웹사이트 3.23.4 Suthakorn-Cushing-Chirikjian Autonomous Replicator (2002-2003) http://molecularasse[...] 2004
[24] 웹사이트 Molecular Nanotechnology Guidelines http://foresight.org[...]
[25] 웹사이트 Advanced Automation for Space Missions http://en.wikisource[...] 1980
[26] 웹사이트 4.11.3 Merkle-Freitas Hydrocarbon Molecular Assembler (2000-2003) http://www.Molecular[...] 2004
[27] 웹사이트 3.23.4 Suthakorn-Cushing-Chirikjian Autonomous Replicator (2002-2003) http://www.Molecular[...] 2004


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