KENDİNİ KOPYALAMA ve NANOTEKNOLOJİ

Neyse ki oldukça karmaşık ve henüz çok ucuz karmaşık ürünlerle sarılmış durumdayız. Örneğin nasıl bir biyolojik harika olduğunu düşünmeden lapa olarak yediğimiz patatesler, son değeri oldukça düşük, binlerce gen, protein, ve diğer moleküler bileşenlerden meydana gelen oldukça karmaşık moleküler makinelerdir.

Patates ve diğer tarımsal ürünlerin niçin oldukça ucuz olduğunu anlamak kolaydır; bir patatesi rutubetli kirli küçük bir yere koyun, biraz hava ve güneş ışığı sağlayın, ve daha çok patates elde edin. Kısacası, patatesler kendi kendini kopyalar.

Uçuş çalışmalarını yapan öncüler kuşların havada hiç çaba harcamadan süzülerek uçmalarından esinlendikleri gibi moleküler yapıda sistemler geliştirmek için doğadan esinleniyoruz. Elbette "esinlenme" "kopyalama" anlamında değili Uçaklar kuşlardan çok farklıdır: bir 747 ile bir ördek uçarken çok az benzerlik gösterirler. Moleküler yapılardan oluşmuş olan yapay kendini kopyalayan sistemler de bir otomobilin bir atla olan benzerliği gibi biyolojik eşdeğerlerine yaklaşık olarak aynı derecede benzerler.

Atlar ve otomobiller taşımayı sağlarlar. Atlar, bunun yanında kendi enerjilerini patates, mısır, şeker, saman, kamış, çimen ve sayısız diğer tip yakıttan elde ederler. Bir otomobil yalnızca tek bir yapay ve dikkatlice rafine edilmiş enerji kaynağını kullanır: benzin. Benzin tankına şeker veya saman konulması tavsiye edilmez!

İnsanların yaptığı makineler yapısal değişikliklere karşı esnek olmayan ve kolay kırılır şekilde karşılık verirler. Tam karşıtı olarak, yaşayan biyolojik sistemler harika bir şekilde esnek ve uyumludurlar. Atlar dar bir patikada yalnız başlarına yollarını bulabilir ya da çalıların üzerinden atlayabilirler; benzer şekilde yiyecek parçalarını da benzer bir uyumla elde ederler ve kendini onarmada olağanüstü bir yetenek gösterirler.

Öte yandan otomobillerin; çok garip ve hiç de doğal olmayan parçalarla, kendini tamir etmekten ve genellikle karmaşık bir yapıda tasarlanabilme olanağından yoksun olarak hareket edebilmeleri için yollara gerek vardır. Çalışırlar çünkü çalışmalarını isteriz, ve çünkü arzu ettiğimiz sıkı performans için gereken kontrol şartlarını sağlamak ucuz olmaktan uzaktır.

Aynı şekilde, moleküler üretimler için yapay kendini kopyalayan sistemler değişmez ve naziktirler. Yüzlerce milyon yıllık evrimin yaşayan sistemlere verdiği kadar harika olan bir yapıya yaklaşan, kontrol edilebilen bir yapıda kendini kopyalayan bir sistem tasarlamak yeterince güçtür. Tek bir enerji kaynağını kullanan bir sistem tasarlamak hem üretim ve hem de daha etkin bir sistem üretebilmek açısından çok daha kolaydır: atlar çimenler daha önemsizken patatesleri yeme yeteneklerini kullanırlar. Yapay sistemler için bulunduğumuz yer tasarım karmaşıklığını azaltma ve etkinliği arttırma umududur, öyle sistemler tasarlayacağız ki tek ve çok iyi bir enerji kaynağı ile kontrol edilebilecek.

Atlar birçok karmaşık proteini ve ihtiyaçları olan molekülü her olursa çevrelerindeki yiyeceklerden üretebilirler. Karmaşık sindirim sistemleri alınan besini moleküllerine ayırır ve karmaşık bir metabolizma aracılığı ile nelere ihtiyaçları varsa onlara sentezlenirler. Yapay kendini kopyalayan sistemler çoğunlukla yeniden yüklenmeden yalın ve etkili olabilecek. Onlara yapay bir gereken bir 'besinstoğu'nu, herşeyi daha az etkili ve daha karmaşık yapacak bir tasarım yerine eşsiz bileşenler ve doğal olmayan moleküler yapılar verebiliriz.

Mekanik tasarımlar daha çok yaşayan bir sistemin üretimini hatırlatan nanoteknoloji için önerilmiştir. Moleküler düzeyde robotik kollar hareket edebilirler ve karmaşık kimyasal moleküler parçaların bir hücrede yaptığı gibi daha çok bir makinenin yaptığına benzer şekilde biraraya toplamada uyguladığı yöntemleri kullanabilir. Yaşayan sistemlerle kuşatılmış olmamıza rağmen, gerçek tasarımlar daha da karmaşıktırlar. Kendini kopyalama yaşayan sistemlerin sergilediği birçok yetenekten biridir. Yapay bir sitemde bir yeteneği kopyalamak birçok diğer dikkate değer yetenek olmaksızın meydan okumaya yeterli olacaktır.

Kendi Kendini Kopyalayan Sistemlerin Kompleksitesi

Tasarımlarımız etrafımızda yaşayan sistemlerden çok daha farklı olacaksa yaklaşımımız ne olmalıdır? Kendini kopyalayan yapay sistemler üzerine ilk çalışma von Neumann tarafından 1940'larda yapıldı. 1980'de NASA'nın bir çalışmasının da katkısı olan sonraki çalışma von Neumann'ın temel görüşlerini doğruladı ve genişletti. Drexler tarafından yapılan daha yakın bir çalışma ile moleküler ölçekteki sistemler üzerindeki bu konsept akım ve uygulama sürdü.

Kendini kopyalayan sistemlerin aşırı bir gereksinimleri yoktur. "Kendini kopyalayan sistemler"in en basit örneği aşağıdaki bir satırlık C programıdır. Çalıştırıldığında kendisini belirli bir çıkış olarak yazar:

main(){char q=34,n=10,*a="main(){char q=34,n=10,*a=%c%s%c;printf(a,q,a,q,n);}%c";printf(a,q,a,q,n);}

Diğer 'kopyalayan' sistemlerin kendini kopyalamaya gerekmez. Bu en iyi tasvir eden bir yüzeyi inşa eden basit bir <u>eksponensiyal toplama</u> işlemidir. Bu işlem yüzey tamamen kaplanana kadar sağlanır, ancak geniş bir kopyalama desteği altyapısı gerekir. Bu, kopyalama işleminin başarılı olmasının garantisi için biyolojik kendini kopyalamanın tam zıttıdır.

Aşağıdaki tablo birkaç sistemin tasarım kompleksitesini gösterir.

Kendini kopyalayan sistemlerin kompleksitesi (bit):

İnternet solucanının C kaynak kodunda bit sayısı olarak kompleksitesini yaklaşık olarak ölçmek kolaydır. Biyolojik sistemler için kompleksite DNA'daki temel çiftlerin sayısını 2 ile çarparak bulunur. İnsan için, haploid çiftlerinin sayısı, diploid'e tercih edilen sistemdir. NASA için 'Uzay Görevleri İleri Otomasyonu' önerilmiştir.

'Mycoplasma genitalium' kimyasal bir ortamda yaşayabilen iyi tanımlanmış en basit doğal sistemdir. Genomik kompleksitesi 1.160.140 bit (TIGR ile sayılmış 580.070 temel çifttin ikizi), bu bir disketin tam kapasitesinin yaklaşık onda biri olan 150 kilobayttan daha azdır. TIGR, basit bir yaşayan sistem için gereken gen sayısını minimuma düşürme Minimal Genom Projesi'ni destekler. Virüsler yaşayan bir sisteme enfekte olmak için en basit yapı iken ek moleküler yapıların desteğine gereksinirler. Bu nedenle tablonun dışında tutulmuşlardır.

Bu verilerden edinebilecek temek sonuç kendini kopyalayan sistemler ile basit tasarımların her ikisinin de iyi tasarımlanmış olmasıdır. Bu derece kompleks sistemlerinin tasarımı için önemli mühendislik çalışmaları gerekir, ancak bu kompleksite böyle sistemlerin inşasında kullanılan bilgisayar, uçak, v.s araçlardan daha büyük olmamalıdır.

Son bir nokta: bir sistem kendini kopyalayabilmeli ama diğer yapılar için hoş olmayacak ve kullanışsız olacak kadar çok fazla değil. Amaç düşük maliyetli, uyumlu ve geniş bir moleküler çevrede çalışabilecek yeniden programlanabilir kendini kopyalayan sistemler üretmektir. Bu ekonomik olarak çok geniş yelpazede ürünler üretilmesini sağlayacaktır.

Kompleks Bir Yapıda Fonksiyon Sistemleri

Eğer yapay kendini kopyalayan sistemler yanlızca dikkatlice kontrol edilen yapay yapılarda bir fonksiyon olarak bulunacaksa, insan vücudu ya da aynı karmaşıklık seviyesindeki kadar kompleks yapılarda nanoteknoloji uygulamalarını nasıl geliştirebiliriz?

Kendini kopyalayan sistemler düşük maliyet için bir anahtar iken, böyle sistem fonksiyonlarına dış dünyada gerek yoktur. Bunun yerine, kullanılacakları yere taşınarak yapay ve kontrol edilen basit bir yapı ve kaba olarak üretilebilir. İnsan vücudunda operasyon yapmak üzere tasarlanmış tıbbi araçlar kendini kopyalamazlar: onları kontrollü bir ortamda üretebiliriz ve sonra gerektiğinde hasta için kullanırız. Sonuç olarak; tıbbi araçlar aynı fonksiyona sahip olarak tasarlanmış ve kendini kopyalayan el aletlerinden daha basit, küçük ve daha etkili olacak. Bu sonuç genellikle: istenen fonksiyon için araç tasarımını için gerekli üretim araçlarını optimize etmeyi doğurur. Herşeyi yapabilen basit bir aracın etkinliği az ve tasarımı zor olacaktır.

Sonuç

Kendini kopyalama düşük maliyetli üretim için etkili bir yoldur. Çevremizdeki biyolojik sistemlerden öğrendiğimize göre kendini kopyalayan sistemler hakkında sezgilerimiz bizi üretim amaçları için tasarlanan kendini kopyalayan yapay sistemlerin özellik ve karakteristikleri konusunda ciddi olarak yanlış yollara sapabileceğimizi söylemektedir. Yapay sistemler programlanabilir bir kontrol altında biyolojik sistemlerin değişimlere cevap verdiğinden daha kesin ve uyumlu şekilde biyolojik olmayan geniş bir alanda üretimler (elmas gibi) yapabilmelidir. Aynı zamanda, tasarımları basit ve kolay olmalıdır. Bu sistemlerin kompleksitesi günümüzün mühendislik standartlarının ötesinde olmamalıdır.

Ali Eskici
14.05.2005

(zyvex.com'dan uyarlanmıştır)