蘋果生蘋果，但是機器可以生機器嗎？今天，即使製造一臺簡單的機器也需要精密的製造裝置。我們能否賦予人造裝置自行繁殖的能力？長期以來，自我複製一直被認為是區分生物和非生物的基本屬性之一。從歷史上看，我們對生物繁殖如何運作的有限理解使其蒙上了一層神秘的面紗，並使人們認為人造物體不可能做到這一點。據報道，當勒內·笛卡爾向瑞典女王克里斯蒂娜斷言動物只是另一種形式的機械自動機時，女王陛下指著一個時鐘說：“注意讓它產生後代。”
機器自我複製的問題在 20 世紀 40 年代後期隨著傑出的數學家和物理學家約翰·馮·諾伊曼的工作從哲學領域進入科學和工程領域。一些研究人員實際上已經構建了物理複製器。例如，大約 50 年前，遺傳學家萊昂內爾·彭羅斯和他的兒子羅傑（著名物理學家）建造了小型膠合板元件，這些元件表現出一種簡單的自我複製形式。但自我複製已被證明非常困難，以至於大多數研究人員使用馮·諾伊曼開發的概念工具來研究它：二維元胞自動機。
在計算機上實現的元胞自動機可以模擬各種各樣的自我複製器，這些複製器相當於具有與我們自身物理定律不同的簡樸宇宙。這些模型使研究人員不必擔心能源和物理構造等後勤問題，從而可以專注於資訊流的基本問題。生物如何能夠不借助外力進行復制，而機械物體卻必須由人類建造？生物體層面的複製是如何從組織、細胞和分子中的眾多相互作用中產生的？達爾文進化論是如何產生自我複製生物的？
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新興的答案啟發了自修復矽晶片[參見第 54 頁和 55 頁的專欄]和自催化分子的開發。這可能僅僅是開始。奈米技術領域的研究人員長期以來一直認為，自我複製對於製造分子級機器至關重要，而太空探索的支持者則將該過程的宏觀版本視為使用原位材料殖民行星的一種方式。最近的進展為這些聽起來具有未來感的想法提供了可信度。與其他科學學科一樣，包括遺傳學、核能和化學，我們這些研究自我複製的人面臨著雙重挑戰：創造複製機器並避免對裝置失控的反烏托邦式預測。我們獲得的知識將幫助我們區分好的技術和具有破壞性的技術。
[分隔符] 生命遊戲
科幻故事經常將控制論的自我複製描述為當前技術的自然發展，但它們掩蓋了它提出的深刻問題：如何避免無限倒退。一個系統可能會嘗試使用藍圖（即自我描述）來構建克隆。然而，自我描述是機器的一部分，不是嗎？如果是這樣，那麼是什麼描述了描述？又是什麼描述了描述的描述？在這種情況下，自我複製就像要求建築師製作自己工作室的完美藍圖。藍圖必須包含藍圖的微型版本，而該版本又將包含藍圖的微型版本，依此類推。如果沒有這些資訊，施工人員將無法完全重建工作室；藍圖所在的位置將是一片空白。
馮·諾伊曼的偉大洞見是對如何擺脫無限倒退的解釋。他意識到自我描述可以以兩種不同的方式使用：首先，作為指令，其解釋導致構建裝置的相同副本；其次，作為要複製的資料，不加解釋地附加到新建立的子裝置上，以便它也具有自我複製的能力。透過這兩個步驟，自我描述無需包含自身的描述。在建築學的類比中，藍圖將包括建造影印機的計劃。一旦新的工作室和影印機建成，施工人員只需影印一份藍圖並將其放入新的工作室即可。
活細胞完全以這兩種方式使用它們的自我描述，生物學家稱之為基因型：轉錄（DNA 主要以不加解釋的方式複製以形成 mRNA）和翻譯（mRNA 被解釋以構建蛋白質）。馮·諾伊曼在分子生物學家之前幾年就提出了轉錄-翻譯的區別，他的工作對於理解自然界中的自我複製至關重要。
為了證明這些想法，馮·諾伊曼和數學家斯坦尼斯瓦夫·M·烏拉姆提出了元胞自動機的想法。元胞自動機模擬涉及棋盤狀的方格或單元格網格，每個單元格要麼是空的，要麼被幾種可能的元件之一佔據。在離散的時間間隔內，每個單元格都會檢視自身及其鄰居，並決定是否變形為不同的元件。在做出此決定時，單元格遵循相對簡單的規則，這些規則對於所有單元格都相同。這些規則構成了元胞自動機世界的基本物理學。所有決策和行動都在本地進行；單元格不直接知道其直接鄰域之外發生的事情。
元胞自動機表面上的簡單性具有欺騙性；這並不意味著設計容易或行為貧乏。最著名的自動機，約翰·霍頓·康威的生命遊戲，產生了令人驚歎的複雜模式。關於元胞自動機動態行為的許多問題在形式上是無法解決的。要了解模式將如何展開，您需要完全模擬它。在某種程度上，元胞自動機模型可以像現實世界一樣複雜。
[分隔符] 影印機
在元胞自動機中，當一組元件——“機器”——經歷一系列步驟來構建附近自身的副本時，就會發生自我複製。馮·諾伊曼的機器基於通用構造器，這是一種機器，在給出適當的指令後，可以建立任何模式。該構造器由分佈在數萬個單元格上的多種型別的元件組成，並且需要用一本書長度的手稿才能指定。由於其複雜性，它仍然沒有被完全模擬，更不用說實際構建了。在生命遊戲中，構造器會更加複雜，因為馮·諾伊曼模型中單個單元格執行的功能（例如訊號傳輸和新元件的生成）必須由生命遊戲中的複合結構來執行。
走向另一個極端，很容易找到自我複製的簡單示例。例如，假設元胞自動機只有一種型別的元件，標記為 +，並且每個單元格僅遵循一個規則：如果四個相鄰單元格中只有一個包含 +，則該單元格變為 +；否則它將變成空的。根據此規則，單個 + 會長成另外四個 +，每個 + 也會同樣生長，依此類推。
這種雜草叢生的擴散並沒有為複製原理提供太多啟示，因為沒有重要的機器。當然，這就引出了一個問題，即如何區分“重要的”機器和微不足道的、多產的自動機。沒有人提出令人滿意的答案。然而，顯而易見的是，複製結構在某種意義上必須是複雜的。例如，它必須由多個、不同的元件組成，這些元件的相互作用共同促成複製——俗話說，“整體必須大於部分之和。” 多個不同元件的存在允許將自我描述儲存在複製結構中。
自馮·諾伊曼的開創性工作以來，許多研究人員一直在複雜和微不足道之間探索，開發出需要更少元件、更少空間或更簡單規則的複製器。1984 年，當時在密歇根大學的克里斯托弗·G·蘭頓取得了重大進展，他觀察到環狀儲存裝置（它構成了早期自我複製機器的模組）可以被程式設計為自行復制。這些裝置通常由兩部分組成：環本身，它是一串圍繞矩形迴圈的元件，以及一個構造臂，它從矩形的一個角伸入周圍空間。迴圈元件構成了環的配方——例如，“向前移動三個方格，然後左轉。” 當此配方到達構造臂時，自動機規則會複製它。一個副本繼續繞環迴圈；另一個副本向下移動到臂上，在那裡它被解釋為指令。
透過放棄通用構造的要求（這是馮·諾伊曼方法的中心），蘭頓表明，複製器可以僅用七個獨特的元件構建，僅佔用 86 個單元格。我們中的一位（雷吉亞）和我們的同事也設計了更小、更簡單的自複製環[參見下一頁的專欄]。因為它們具有多個相互作用的元件幷包含自我描述，所以它們不是微不足道的。有趣的是，不對稱性起著意想不到的作用：當元件不是旋轉對稱時，控制複製的規則通常比元件是旋轉對稱時更簡單。
[分隔符] 湧現複製
所有這些自我複製結構都是透過獨創性和大量的反覆試驗設計的。這個過程是艱鉅且常常令人沮喪的；對規則的微小更改會導致完全不同的全域性行為，最有可能導致所討論結構的解體。但最近的工作已經超越了直接設計方法。研究人員沒有定製規則來適應特定型別的結構，而是試驗了各種規則集，在元胞自動機網格中填充了隨機選擇的元件的“原始湯”，並檢查是否自發地出現了自我複製器。
1997 年，現在在愛荷華州立大學的周惠賢和雷吉亞注意到，只要自由浮動元件的初始密度高於某個閾值，小的自複製環就會可靠地出現。碰撞的環會發生湮滅，因此存在一個持續的死亡和誕生過程。隨著時間的推移，環擴散、尺寸增大，並透過過去碰撞碎片觸發的突變而進化。儘管自動機規則是確定性的，但這些突變實際上是隨機的，因為系統很複雜並且元件從隨機位置開始。
這些環旨在作為抽象機器，而不是任何生物學事物的模擬物，但將它們與生物分子結構進行比較是很有趣的。環鬆散地類似於細菌中的環狀 DNA，而構造臂充當催化 DNA 複製的酶。更重要的是，複製環說明了複雜的全域性行為如何從簡單的區域性相互作用中產生。例如，元件圍繞環移動，即使規則中沒有關於移動的任何內容；實際發生的是，單個單元格正在啟用、死亡或變形，從而使模式從一個位置消除並在其他位置重建——我們將其感知為運動的過程。簡而言之，元胞自動機在本地行動，但似乎在全球範圍內思考。分子生物學在很大程度上也是如此。
在最近的一次計算實驗中，現在在 NASA 艾姆斯研究中心的傑森·洛恩和雷吉亞試驗了不同的規則集，而不是不同的結構。從任意四個元件的塊開始，他們發現他們可以確定一組規則，使該塊自我複製。他們透過遺傳演算法（一種模擬達爾文進化的自動化過程）發現了這些規則。
這項工作最具挑戰性的方面是所謂的適應度函式的定義——透過該函式來判斷規則集的標準，從而將好的解決方案與壞的解決方案分開，並將進化過程推向促進複製的規則集。您不能簡單地為那些導致結構複製的規則集分配高適應度，因為最初的規則集都不太可能允許複製。解決方案是設計一個適應度函式，該函式由三個度量的加權和組成：增長度量（每種元件型別產生越來越多的該元件的程度）、相對位置度量（相鄰元件保持在一起的程度）和複製器度量（實際存在的複製器數量的函式）。使用正確的適應度函式，進化可以將無菌的規則集變成肥沃的規則集；該過程通常需要大約 150 代。
以這種方式發現的自我複製結構的工作方式與自我複製環的工作方式根本不同。例如，它們移動並在沿途沉積副本——這與基本上是靜態的複製環不同。儘管這些新發現的複製器由多個區域性相互作用的元件組成，但它們沒有可識別的自我描述——沒有明顯的基因組。在沒有自我描述的情況下進行復制的能力可能與最早的生物複製器是如何起源的問題有關。在某種意義上，研究人員看到了非生物和生物結構之間的連續統一體。
許多研究人員嘗試了除傳統元胞自動機之外的其他計算模型。在非同步元胞自動機中，單元格不是同步更新的；在非均勻元胞自動機中，規則可能因單元格而異。另一種完全不同的方法是核心戰爭及其後繼者，例如生態學家托馬斯·S·雷的蒂埃拉系統。在這些模擬中，“生物”是爭奪處理器時間和記憶體的計算機程式。雷觀察到“寄生蟲”的出現，它們竊取了其他生物的自我複製程式碼。
[分隔符] 走向現實
那麼這些機器有什麼用呢？馮·諾伊曼的通用構造器除了複製之外還可以計算，但它是一種不切實際的野獸。一項重大進展是簡單而有用的複製器的開發。1995 年，洛桑瑞士聯邦理工學院的吉安盧卡·滕佩斯蒂簡化了環的自我描述，使其可以與一個小型程式交織在一起——在本例中，該程式將拼寫出他實驗室的首字母縮寫“LSL”。他的洞見是建立自動機規則，允許環分兩個階段複製。首先，環像蘭頓的環一樣，複製自身。完成後，子環向其父環傳送訊號，此時父環傳送用於寫出字母的指令。
繪製字母只是一個演示。次年，讓-伊夫·佩里爾、雅克·贊德和我們中的一位（西珀）設計了一個具有通用計算能力的自複製環——也就是說，具有通用圖靈機的計算能力，通用圖靈機是一種高度簡化但功能齊全的計算機。該環有兩個“磁帶”，或元件的長字串，一個用於程式，另一個用於資料。除了自我複製外，環還可以執行任意程式。在某種意義上，它們與模擬它們的計算機一樣複雜。它們的主要侷限性在於程式是從父環複製到子環的，沒有更改，因此所有環都執行相同的指令集。
1998 年，周和雷吉亞消除了這一限制。他們展示瞭如何使用攜帶不同資訊而不是克隆程式的自複製環來解決一個稱為可滿足性的問題。環可用於確定邏輯表示式中的變數是否可以被賦值，以使整個表示式的計算結果為“真”。這個問題是 NP 完全問題——換句話說，它屬於一類棘手的難題，包括著名的旅行商問題，對於這些難題，目前還沒有已知的有效解決方案。在周和雷吉亞的元胞自動機宇宙中，每個複製器都收到一個不同的部分解決方案。在複製過程中，解決方案發生突變，有希望的解決方案的複製器被允許擴散，而失敗的解決方案的複製器則消亡。
儘管各個團隊已經在電子硬體中建立了元胞自動機，但對於實際應用來說，此類系統可能過於浪費；自動機從來沒有真正打算直接實現。它們的目的是闡明覆制的基本原理，並透過這樣做，啟發更具體的努力。這些環為設計由電晶體或化學物質組成的平行計算機提供了一種新的範例。
1980 年，由小羅伯特·弗雷塔斯領導的 NASA 團隊提議在月球上建立一個工廠，該工廠將利用當地月球材料進行自我複製，以指數級地覆蓋大片區域。事實上，正如杜蘭大學物理學家弗蘭克·J·蒂普勒所論證的那樣，類似的探測器可以殖民整個銀河系。在較近的時期，計算機科學家和工程師一直在試驗機器人的自動化設計。儘管這些系統並非真正的自我複製——後代比親代簡單得多——但它們是朝著實現瑞典女王的要求邁出的第一步。
如果物理自我複製機器變得實用，它們和相關技術將引發難題，包括終結者電影中人造生物勝過自然生物的場景。我們更傾向於更樂觀、更可能的場景，即複製器將被用於造福人類。關鍵是要採納 14 世紀英國哲學家威廉·奧卡姆的建議：entia non sunt multiplicanda praeter necessitatem——實體不應在不必要的情況下增加。
[分隔符] 作者
摩西·西珀和詹姆斯·A·雷吉亞對複雜系統如何自組織有著長期的興趣。西珀是以色列本-古裡安大學計算機科學系副教授。他主要對進化計算感興趣，主要應用於遊戲和生物資訊學。雷吉亞是馬里蘭大學高階計算機研究所的計算機科學和神經病學教授。除了研究自我複製之外，他還對大腦及其疾病（如中風）的計算模型進行研究。