שכפול עצמי

שכפול עצמי הוא כל התנהגות של מערכת דינמית שמניבה בניית עותק זהה של עצמה. לדוגמה, תאים ביולוגיים, בהינתן סביבה מתאימה, משכפלים את עצמם באמצעות תהליך חלוקת התא. במהלך חלוקת התא, ה-DNA משוכפל ויכול לעבור לצאצאים במהלך הרבייה. נגיפים מסוגלים להתרבות רק כאשר הם מדביקים תא ומשעבדים את מנגנוני הרבייה של התא לצורך שכפול עצמם. חלבוני פריון מזיקים מתרבים על ידי המרת חלבונים מהצורה הטבעית שלהם לצורת הפריון המזיקה. וירוסים של מחשבים מתרבים על ידי שימוש בחומרה ובתוכנה שכבר קיימות במחשב. שכפול עצמי מהווה מקור עניין ונושא מחקר גם ברובוטיקה ובמדע בדיוני. מנגנון שכפול שאינו מדויק לחלוטין יוביל להיווצרות וריאציות גנטיות וייצור גרסאות שונות של עצמו. גרסאות אלה יהיו חשופות לתהליך הברירה הטבעית, משום שחלק מהגרסאות החדשות יהיו יעילות יותר מאחרות בהישרדות והתרבות בסביבה הנתונה שלהן, ולכן יתרבו יותר, ישתלטו על הסביבה וידחקו את הגרסאות האחרות, היעילות פחות.

סקירה כללית 

היכולת לשכפול עצמי נחשבה בעבר כתכונה המייחדת את עולם החי על פני הדומם.
ג'ון פון נוימן, מתמטיקאי אמריקאי ממוצא יהודי-הונגרי ומחלוצי החוקרים בתחום, הוציא את השכפול העצמי מהתחום התאורטי–פילוסופי השייך לעולם המדע הבדיוני, והפך אותו לתחום מחקר מדעי-הנדסי ריאלי.

אחת הדרישות העיקריות מעצם כלשהו על מנת שיהיה בר שכפול היא שהעצם יכלול "תיאור עצמי" שישמש כבסיס לשכפולו.
היות שהתיאור העצמי הוא חלק מהעצם עצמו, בתוך התיאור צריך להיות כלול תיאור של התיאור וכך הלאה עד אין סוף. בעיה זו מכונה "בעיית הרגרסיה האינסופית".
פון נוימן הציע לפתור בעיה זו על ידי חלוקת פונקציית התיאור העצמי לשתיים:
 מידע שיש להעתיקו ולהצמידו בצורתו הלא מפורשת לצאצא המשוכפל. מידע זה יאפשר שכפול עצמי של הצאצא.
 הוראות שכפול המיוצגות על ידי קוד, כאשר פירושן של הוראות אלה יביא לשכפול העצם.
בצורה זו התיאור העצמי אינו צריך לכלול תיאור של עצמו.
אבחנה זו מיושמת הלכה למעשה בעולם הטבע, כאשר המקביל הביולוגי לחלק הראשון הוא תהליך השעתוק, בו מועתק ה-DNA ללא פירוש ליצירת תעתיק RNA, והתהליך המקביל לחלק השני הוא תהליך התרגום, בו משמש קוד ה-RNA המפורש ליצירתם של החלבונים.

פון נוימן הקדים למעשה באבחנתו זו את חוקרי הביולוגיה המולקולרית, אשר נעזרו בתובנותיו בתחום השכפול העצמי המלאכותי על מנת לפענח את תהליך השכפול העצמי בטבע.

יישומים 
אחת מהמטרות לטווח ארוך של מדעי ההנדסה והטכנולוגיה, היא להעמיד התקן בעל כושר שכפול עצמי תוך שמירה על איכות התוצר, כאשר יתרונו העיקרי של התקן זה טמון בהוזלה משמעותית של עלויות הייצור. במצב האידיאלי, עלות הייצור של כל התקן חדש תהיה שווה לעלות חומרי הגלם שלו, תוך חיסכון משמעותי של הוצאות על גורמים חיצוניים כגון עבודה והפצה, הנדרשים בתעשייה הקונבנציונלית.
רבים מאמינים שמטרה זו היא בת־השגה כבר בעתיד הקרוב.
מחקר שנערך לאחרונה בנאס"א משווה את המורכבות בפיתוחו של התקן כזה למורכבות פיתוחו של המיקרו מעבד פנטיום 4 של חברת אינטל. כלומר, יצירתו של התקן כזה אפשרית כבר בעתיד הקרוב תוך השקעה קטנה יחסית של משאבים.
ההתעניינות ההולכת וגוברת בענף והמימון הגבוה לו זוכה התחום תורמים אף הם לסיכוי להשגת התקדמות משמעותית ומהירה.

תעשייה מולקולרית – מערכות בעלות יכולת שכפול עצמי הניתנות לתכנות 

אחת המטרות העיקריות בטכנולוגיה בכלל ובננוטכנולוגיה בפרט, היא לייצר דברים בעלות מינימלית. השיטה המוכחת היחידה לייצור המוני של מבנים מורכבים ומדויקים בעלות נמוכה היא באמצעות מערכות בעלות יכולות שכפול עצמי הניתנות לתכנות. הטבע מלא במערכות מורכבות בעלות יכולת שכפול עצמי כמו צמחים ובעלי חיים.

ככל הנראה לא נוכל לייצר את כל מגוון החומרים והמכשירים בהם אנו מעוניינים באמצעות שימוש בשיטות ביולוגיות בלבד. רבים מהמוצרים הטכנולוגיים המוכרים לנו כיום לא עשויים מחומר ביולוגי ואין סיבה להאמין כי מצב זה ישתנה. המחשבים המלאכותיים של היום לא עשויים מחלבון בגלל שחומרים אחרים, לא ביולוגיים, מציעים ביצועים טובים הרבה יותר. למחשבים ביולוגיים, למרות מעלות רבות שלהם, יש שיעור שגיאות גבוה ומעבר האותות בהם איטי הרבה יותר בהשוואה למחשבים רגילים.

עיצוב ופיתוח של מערכות לא ביולוגיות בעלות יכולת שכפול עצמי הניתנות לתכנות נראה בהתחלה מרתיע. על מערכות כאלו להיות מותאמות לייצור של מערכות מחשב המסוגלות לביצועים מורכבים ברמת דיוק גבוהה. אף על פי כן נעשתה כבר עבודה תאורטית רבה בתחום זה. עבודה זו החלה עם "הבנאי האוניברסלי"  של פון נוימן שפעל בעולם דו-ממדי והמשיכה עם ה"מאסף"  (assembler) שהוצע על ידי דרקסלר, והותאם לעבודה בסקלה אטומית ובמערכות תאורטיות נוספות. הרבה מהמערכות המוצעות אינן מורכבות מדי לביצוע בכלים ההנדסיים שיש לנו היום. עבודות מאוחרות יותר מציעות דרכים לפשט את המערכות הנ"ל אפילו יותר, כך שייצור מערכות לא ביולוגיות הניתנות לתכנות הוא בהחלט אפשרי כיום.
מערכות אלו יהיו יעילות יותר ממערכות ביולוגיות. הן יהיו פשוטות יותר, ייצרו חומרים באיכות טובה יותר. כמו כן ניתן יהיה לתכנת ולהתאים אותן בקלות יחסית לדרישות המשתנות, והשימוש בהן יהיה נטול סיכונים.

תעשייה ומחקר בחלל
בקיץ 1980, נאס"א והאגודה האמריקנית להנדסת חינוך (ASEE) סבסדו מחקר שנערך על ידי 15 מהנדסי תוכנית נאס"א ו-18 מחנכים מאוניברסיטאות בארצות הברית שנועד לחקור אפשרויות לאוטומציה מתקדמת למשימות בחלל. בדו"ח הסופי ישנו פרק בן 150 עמודים המציג תוכנית רב-שנתית לפיתוח מערכות לייצור על הירח. המערכת המוצעות כוללת מערכת לשכפול עצמי (SRS: Self- Replicating System) שתמוקם על פני-השטח של הירח. התכנון מבוסס כולו על טכנולוגיה קונבנציונלית. הגרעין הראשוני הדרוש ליצירת המערכת הנ"ל כולל 100 טון של חומרים (שווה ערך לארבע חלליות מסוג "אפולו") שישוגרו לירח מכדור הארץ. את כל שאר החומרים ישיג המשכפל מחומרים הנמצאים על פני הירח שיעובדו לקבלת החומרים הנדרשים לפעולת ה-SRS. היתרון המשמעותי במערכת הזאת הוא הפחתה ואפילו מניעת הצורך לשגר עוד ועוד חומרי גלם מכדור הארץ, תהליך יקר מאוד.

במדעי המחשב 
במדעי המחשב, קוויין (Quine) היא תוכנת מחשב לא ריקה שרצה ללא קלט, ומדפיסה כפלט את קוד המקור שלה עצמה. במובן זה, קוויין מבצע מעין שכפול עצמי, ולפיכך תוכנות אלה מכונות בספרות של מדעי המחשב גם "תוכנות המשכפלות את עצמן" (self-replicating programs). כאשר מביטים על סביבת הריצה של התוכנה כפונקציה, קוויין מתאימה לנקודת שבת באותה פונקציה. מבחינה תאורטית קיומן של תוכנות כאלה נובע ממשפט הרקורסיה של קליני, ותוכנות כאלה קיימות בכל שפת מחשב טיורינג-שלמה. אתגר נפוץ בתחום התכנות הוא כתיבת הקוויין הקצר ביותר בשפת תכנות כלשהי.

המונח "קוויין" נטבע על ידי דאגלס הופשטטר, בספרו "גדל, אשר, באך", והוא בחר בו על שם הפילוסוף וילארד ואן אורמאן קוויין (1908–2000), שתרם רבות לחקר התייחסות עצמית עקיפה, ובפרט בהתייחס למשפט הפרדוקסלי הבא, שמכונה "הפרדוקס של קוויין":

"Yields falsehood when preceded by its quotation" yields falsehood when preceded by its quotation.

הדוגמה המתועדת הראשונה לקוויין נכתבה בשנת 1960 על ידי Hamish Dewar, חוקר באוניברסיטת אדינבורו. להלן דוגמאות לקוויין:

פייתון (גרסה 3):
s = 's = %r\nprint(s%%s)'
print(s%s)

ג'אווה:
public class Quine
{
 public static void main(String[] args)
 {
 char q = 34; // Quotation mark character
 String[] l = { // Array of source code
 "public class Quine",
 "{",
 " public static void main(String[] args)",
 " {",
 " char q = 34; // Quotation mark character",
 " String[] l = { // Array of source code",
 " ",
 " };",
 " for(int i = 0; i < 6; i++) // Print opening code",
 " System.out.println(l[i]);",
 " for(int i = 0; i < l.length; i++) // Print string array",
 " System.out.println(l[6] + q + l[i] + q + ',');",
 " for(int i = 7; i < l.length; i++) // Print this code",
 " System.out.println(l[i]);",
 " }",
 "}",
 };
 for(int i = 0; i < 6; i++) // Print opening code
 System.out.println(l[i]);
 for(int i = 0; i < l.length; i++) // Print string array
 System.out.println(l[6] + q + l[i] + q + ',');
 for(int i = 7; i < l.length; i++) // Print this code
 System.out.println(l[i]);
 }
}

ננו-שכפול עצמי 
בננוטכנולוגיה, שכפול עצמי הוא תהליך שבו התקנים בקנה מידה ננומטרי, יוצרים עותקים של עצמם.

ננו מכונות רובוטיות בעלות כושר שכפול עצמי

על מנת ששכפול עצמי יוכל להתקיים בצורה בונה, שלושה תנאים חייבים להתקיים:
הדרישה הראשונה היא שכל אחת מהיחידות תהיה מכונה מיוחדת הנקראת ננורובוט, שאחד מתפקידיו הוא לבנות לפחות העתק אחד של עצמו במהלך חייו המבצעיים. (כל יחידה צריכה גם תפקיד אחר, אלא אם כן המטרה המיועדת של צבר היחידות היא לגרום הרס על ידי יצירתו של מנגנון מכני המחקה גידול סרטני). דוגמה היפותטית של ננורובוט קונסטרוקטיבי בעל יכולת שכפול עצמי היא נוגדן מלאכותי, אשר בנוסף לכך שהוא משכפל את עצמו, הוא מאתר והורס אורגניזמים גורמי מחלות.

הדרישה השנייה היא קיומם של כל האנרגיה והמרכיבים הדרושים לבניית מספר מינימלי מסוים של עותקים מושלמים של הננורובוט. באופן אידיאלי, כמות המרכיבים צריכה לאפשר את צריכתם בפרופורציה הנכונה. אם התהליך נועד להיות סופי, כאשר נבנה המספר הרצוי של רובוטים, לא צריכים להישאר מרכיבים מיותרים שלא נעשה בהם שימוש.

הדרישה השלישית היא שעל הסביבה להיות מבוקרת על כך שתהליך השכפול יכול להמשיך בצורה יעילה וללא תקלות. זעזועים מיותרים, טמפרטורות קיצוניות, קרינה חזקה, או נסיבות שליליות אחרות עלולות למנוע את התפקוד התקין של הננורובוטים ולגרום לפגיעה בתהליך או לכישלונו. סופרי מדע בדיוני הציעו כי מוטציות העלולות להתרחש בקהילת ננורובוטים מתוחכמים המשכפלים את עצמם, עשויה להוביל למנגנון המחקה את תהליך הברירה הטבעית. תהליך כזה יכול לשמש ליצירת מושבה מתפתחת של ננורובוטים בעלי קיום עצמי בחלל החיצון.

שכפול עצמי של דפוסים נושאי מידע בקנה מידה ננומטרי 
במחקר שנערך על ידי חוקרים מהמחלקות לכימיה ולפיזיקה באוניברסיטת ניו-יורק והתפרסם בשנת 2011 בכתב-העת המדעי היוקרתי Nature, הצליחו החוקרים לסנתז מבנים מלאכותיים המסוגלים לבצע שכפול עצמי, הישג הטומן בחובו את הפוטנציאל לפיתוחם של חומרים חדשים וחדשניים.
שכפול עצמי הוא תהליך בסיסי ונפוץ בעולם הטבע, אולם תהליך שכפול עצמי מלאכותי, פרי פיתוחה של טכנולוגיה אנושית, טרם הושג בצורה משביעת רצון עד כה.
את אבני הבניין של ה-DNA, ניתן לראות כאותיות היוצרות יחד מילה – צופן בעל משמעות. בתהליך השכפול, מותאם לכל אחד מהבסיסים החנקניים המרכיבים את ה-DNA בסיס חנקני משלים – אדנין (A) הנקשר לתימין (T) וגואנין (G) הנקשר לציטוזין (C). – זיווגים אלה של בסיסים חנקניים משלימים יוצרים את מבנה הסליל הכפול של ה-DNA. תהליך השכפול משמר את רצף האותיות המקורי ואת צורתה של התבנית המשוכפלת.
בהתבסס על קונספט זה, פיתחו החוקרים אבני-בניין מלאכותיות המכונות: BTX Bent Triple Helix. צופן ה-BTX אינו מוגבל רק לארבע ה"אותיות" של ה-DNA. ביכולתו של צופן זה לכלול מספר עצום של אותיות, היוצרות אבני-בניין הנקשרות אחת לשנייה בזכות יכולת ההתאמה וההשלמה של ארבעה סלילי DNA נפרדים, המכונים "קצוות דביקים", ליצירת מבנה המורכב משישה סלילים.
להשגת השכפול העצמי של מערכי מולקולת ה-BTX יש צורך במערך ראשוני המכונה "גרעין". גרעין ראשוני זה מזרז את הבנייה של מערכים זהים נוספים. במחקר המתואר, הגרעין הראשוני (המכונה "גרעין ההורה") מורכב מרצף של שבע אבני-בניין – שבע אותיות. לשם התחלת תהליך השכפול העצמי מוכנס הגרעין לתמיסה של כימיקלים. בתמיסה זו נוצר "מערך בת" על ידי זיווג בסיסים משלימים בין הגדילים. מערך בת זה מהווה בעצם את המילה או הרצף המשלימים למערך הגרעין.
בשלב הבא מופרד מערך הבת ממערך הגרעין (מערך ההורה) באמצעות חימום התמיסה לכארבעים מעלות צלזיוס. בחזרה נוספת על התהליך הנ"ל נקשר מערך הבת לאבני-הבניין המשלימות שלו ליצירת "מערך נכד", הזהה למערך הגרעין המקורי. כאשר התהליך חוזר על עצמו שוב ושוב מתקבל מספר הולך ועולה של מערכים הזהים למערך המקורי, וכך מתקבל תהליך שכפול עצמי של החומר ושל המידע המצוי במערך הגרעין – "מערך ההורה". תהליך זה שונה משמעותית מתהליך השכפול המתרחש בתא, מאחר שלא נעשה כלל שימוש במרכיבים ביולוגיים (בייחוד אנזימים), ואפילו ה-DNA הוא מלאכותי.
מחקר פורץ דרך זה מוכיח כי תהליך השכפול העצמי אינו מוגבל למולקולות ביולוגיות (כגון DNA ו-RNA) בלבד, ומהווה את השלב הראשון בהשגת היעד הנכסף של שכפול עצמי מלאכותי של חומרים בעלי הרכבים מגוונים.

תחומי מחקר בנושא שכפול עצמי
 ביולוגיה – מחקר על מערכות שכפול עצמי בטבע והאינטראקציות בין המשכפל למשוכפל. מידע זה עשוי לעזור ולהימנע מקשיים מסוימים בתכנון מכונות בעלות יכולת שכפול עצמי.
 מדעי הממטיקה (מדעי הרוח) – כיצד רעיונות ואמונות משכפלים את עצמם ומתפשטים בסביבה האנושית.
 ננוטכנולוגיה מולקולרית – בניית מאסף (assembler) בקנה מידה ננומטרי. יכולת שכפול עצמי תביא לחיסכון משמעותי בעלויות ההרכבה העצומות של המכונות המולקולריות הנ"ל.
 חלל – נאס"א מימנה מספר מחקרים לפיתוח מנגנונים בעלי יכולת שכפול עצמי. רוב המנגנונים הללו כוללים מכשור הנשלט על ידי מחשב המסוגל לשכפל את עצמו.
 אבטחת מחשבים – בעיות אבטחת מחשבים רבות נגרמות על ידי תוכניות בעלות יכולת שכפול עצמי כמו "תולעים" (computer worms) ווירוסים (computer viruses) הפוגעים במחשב.
 רשתות ומערכות מחשוב – יכולת התקנה אוטומטית של תוכנות על מחשבים באותה רשת באמצעות "סוכנים ניידים" (mobile agents) יכולות לחסוך זמן רב של התקנה ידנית בכל מחשב ומחשב וכך לתת למשתמשים מענה מהיר יותר.
 כימיה – מחקר כיצד מערכות של מולקולות מסוגלות לפעול ביחד על מנת לשכפל את כל המולקולות במערכת (מאמר לדוגמה).

סיכונים אפשריים במערכות בעלות יכולת שכפול עצמי
מערכות בעלות יכולת שכפול עצמי, כמו מערכות אחרות, עלולות שלא לפעול בצורה נכונה וכתוצאה מכך לגרום נזק בניגוד למערכות רגילות, מערכות אלו יכולות באופן תאורטי לגרום לכמויות נזק בלתי מוגבלת. במקרים קיצוניים, ייתכן למשל שכפול בלתי מבוקר שיביא להרס כדור הארץ
כל מערכת ייצור שכזאת חייבת להיות בטוחה מטבעה; כלומר, לא די בכך שהמערכת לא תגרום לסיכונים חמורים במיוחד, אלא על מכונה כזו להישמר גם מטעויות מקריות בתכנון ובעיצוב, טעויות בטיפול או בהעברת ההוראות ועוד. מערכת כזו חייבת להיות בטוחה וחסינה מטעויות.
ככל הנראה, מערכות ייצור כלליות שכאלה תחסרנה את הגמישות המופלאה ויכולת ההסתגלות האופיינית לאורגניזמים חיים (המהוות את הבסיס לתהליך האבולוציה), ויסבלו מנוקשות וחוסר גמישות לשינויים, אפילו קטנים, בסביבה. חוסר גמישות זה יעיל כלכלית, מפשט את התכנון ומגביר את היעילות וחיסכון, שכן מערכות גמישות המסוגלות להתאים עצמן למגוון רחב של סביבות בסופו של דבר יעילות פחות בכל סביבה ספציפית נתונה, בהשוואה למערכות גמישות פחות המכוונת לסביבה מסוימת. חוסר גמישות זו רצוי גם כתכונה בטיחותית, משום שמערכות גמישות יהיו בעלות סיכוי גבוה יותר להיכשל ולצאת מכלל שליטה בסביבה לא מבוקרת.

ראו גם 
 ארכיטקטורת פון נוימן
 ביומימטיקה
 ביוננוטכנולוגיה
 וירוס מחשב
 חיים
 מם
 מערכות מורכבות
 ננוטכנולוגיה
 רובוט
 שכפול דנ"א
 תולעת מחשב
 עיסה אפורה

לקריאה נוספת 
 שכפול עצמי של דפוסים נושאי מידע בקנה מידה ננומטרי, מגזין Nature, אוקטובר 2011, גיליון מס' 478 (7368), עמ' 8–225.
 הספר "מנוע היצירה" של ד"ר אריק דרקסלר, 1986, הוצאת Doubleday.

הערות שוליים 

ננוטכנולוגיה
DNA
חומצות גרעין
מדעי הטבע
מדעי החלל