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自己複製(英: Self-replication)とは、何らかの事物がそれ自身の複製を作る過程である。細胞は適当な条件が整うと、細胞分裂による複製を行う。細胞分裂において、DNAが複製され、生殖に際してはそれが子に転送される。ウイルスも複製されるが、細胞に感染して細胞の持つ生殖機構に指令を出すことでのみ複製可能である。コンピュータウイルスは、コンピュータに備わっているハードウェアやソフトウェアを使って複製を作る。ミームは人間の精神や文化を一種の生殖機構として利用して複製を作る。

◆ 概要

◇ 理論

ジョン・フォン・ノイマンによる初期の研究で、典型的な複製子(replicator)が以下のようないくつかの部分から構成されていることが明らかになった。

・ゲノム - 複製子に格納されたアルゴリズムを記述したもので、コンパクトかつ誤り訂正可能。生物の場合はDNAがこれにあたる。

・本体を構成する資源を使って、ゲノムをコピーしたり修復したりする特殊な機構群。生物では転写酵素のようなものに相当。

・本体 - 資源とエネルギーを持ち、格納されているアルゴリズムを解釈実行する。生物ではリボソームにあたる。

このようなパターンではない構成も考えられる。例えば、ある環境下で自分自身をコピーするRNAの構築に成功した例がある。この場合、本体とゲノムは同一であり、複製機構は外部にある。

しかし、考えられる最も単純なケースはゲノムだけが存在する場合である。自己複製に関する仕様がない場合、ゲノムのみの系は結晶のようなものと考えられる。

◇ 分類

最近の研究では[外部リンク] 5.1 General Taxonomy of Replicators Kinematic Self-Replicating Machines, Robert A. Freitas Jr. and Ralph C. Merke、2004年、複製子の分類が試みられており、それらが必要とする外部からの支援の量で分類することが多い。

・ 自然界の複製子はその全て(あるいはほとんど)が人間由来でない設計である。このような系には自然界の生命形態が含まれる。

・ 独立栄養生物的複製子は、独力で自己複製できる。複製のための材料は自分で作り出す。非生物の独立栄養生物的複製子を人間が設計するとすれば、人間にとって有用な製品を生産するのに利用することが予想される。

・ 金属材や導線などを材料として工業生産のように自己複製を行う自己複製システムも考えられる。

・ 部品として完成しているものを使って、自分自身のコピーを組み立てる自己組み立てシステムも考えられる。大きなスケールでは、単純な例はいくつかある。

機械的複製子の設計範囲は非常に広い。包括的研究がロバート・フレイタスとラルフ・マークルによって行われ[外部リンク] 5.1.9 Freitas-Merkle Map of Kinematic Replicator Design Space Kinematic Self-Replicating Machines, Robert A. Freitas Jr. and Ralph C. Merke、2004年、137の設計観点が1ダースのカテゴリに分類された。そのカテゴリとは、(1)複製制御、(2)複製情報、(3)複製基盤、(4)複製子の構造、(5)受動的部品、(6)能動的サブユニット、(7)複製子のエネルギー、(8)複製子の運動、(9)複製プロセス、(10)複製子の性能、(11)製造構造、(12)発展性/進化性、である。

◇ 自己複製型コンピュータプログラム

計算機科学における自己複製型プログラムとは、実行すると自分自身のコードを出力するプログラムである。これをクワインと呼ぶ。以下にPythonでの例を示す。

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

もっと瑣末な手法としては、入力されたデータ列をコピーするプログラムが考えられ、そのプログラムにプログラム自身をデータとして入力する。この場合、プログラムは実行コードとして扱われると同時に操作対象のデータとしても扱われる。生命体も含め、このような手法は自己複製システムでは典型的であり、プログラム自体に自身の記述を含める必要がないという点で単純である。

多くのプログラミング言語において、空のプログラムも正しいプログラムであり、そのようなプログラムはエラーも起こさないし、何も出力しない。つまり、その場合の出力はソースコードと同じであるため、このような空のプログラムが最も単純な自己複製であるとも言える。

◇ 自己複製型充填

幾何学での自己複製型充填とは、合同な形のタイルを複数個敷き詰め、元のタイルと相似な大きな形を形成することを指す。これは平面充填と呼ばれる研究分野の話題である。三角形や四角形は自己複製型充填が容易である。"sphinx" というヘキサモンドは、自己複製型充填が可能な五角形として知られている"Sphinx." From MathWorld--A Wolfram Web Resource. [外部リンク] http://mathworld.wolfram.com/Sphinx.html。例えば、この凹面のある五角形を4つ組み合わせることで2倍の大きさの相似な図形を形成できる[外部リンク] Teaching TILINGS / TESSELLATIONS with Geo Sphinx。ソロモン・ゴロムは、このような自己複製型充填を指して Rep-tiles と呼んだ。

◇ 応用

自己複製可能な物理的な機械 clanking replicator は、工学における最終目標の一つである。その通常の理由のひとつとして、製品としての機能を保持しつつ、単価を下げるためという理由が挙げられる。よく言われるように、自己複製可能な製品の単価は材料の重量相当の価格とほぼ等しくなる。なぜなら、自己複製によって、労働も資本も従来型の流通も不要になるためである。

人工の複製子の登場は意外に近いかもしれない。アメリカ航空宇宙局 (NASA) の最近の研究として clanking replicator の複雑さはインテルのPentium 4と同程度であることが示された[外部リンク] Modeling Kinematic Cellular Automata Final Report NASA Institute for Advanced Concepts、2004年4月30日。つまり、そのテクノロジは比較的小さなグループで、それなりの時間でそれなりのコストをかければ、達成可能とされている。

バイオテクノロジーは現在最も関心が高く、出資も盛んに行われている分野だが、既存の細胞の自己複製能力を利用する試みが有意義な洞察と進歩をもたらすかもしれない。

自己複製と類似した問題がコンパイラ開発にも存在し、ブートストラップ問題と呼ばれている。コンパイラ(表現型)を自身のソースコード(遺伝子型)に適用することで、コンパイラ自身を生成する。コンパイラ開発では、修正したソースコード(突然変異)を使って次世代のコンパイラが作成される。このプロセスが自然界の自己複製と異なるのは、複製を監督するのが複製対象自身ではなく技術者という点である。

◆ 機械的自己複製

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