Создан первый биологический компьютер, способный обрабатывать изображения.

Содержание Раздел 1 Введение Введение Ограниченность цифровых ЭВМ Ограниченность цифровых ЭВМ Аналоговые ЭВМ Аналоговые ЭВМ Инфузорное программирование Инфузорное программирование Клеточные компьютеры Клеточные компьютеры Раздел 2 Биочипы Биочипы Биодатчики Биодатчики Оптическая память Оптическая память Первый коммерческий биокомпьютер Первый коммерческий биокомпьютер Заключение Заключение

Раздел 1. Введение Первый биологический компьютер был создан в 1994 году. Он использовал ДНК в качестве носителя информации Основные направления в создании биокомпьютеров: Автоволновые на белковой пленке Автоволновые на белковой пленке Нейронные Нейронные Клеточные Клеточные На основе ДНК На основе ДНК Рис.1. Структура билогического компьютера.

Введение Биокомпьютеры стали новым прикладным направлением, находящемся на пересечении традиционных дисциплин - биологии и науки о компьютерах. В исследованиях, связанных с биокомпьютерами, ученые пытаются найти способ сразу создавать системы с заданными свойствами. Вместо того чтобы склеивать отдельные белковые молекулы или расшифровывать генные коды, клетки будут программироваться на уровне генов для выполнения требуемых функций. Рис.1. Структура билогического компьютера.

Введение Миллилитр ДНК содержит больше информации, чем CD-ROM. Столовая ложка "компьютерного бульона" по производительности в миллионы раз превосходит используемые нами персональные компьютеры. Рис. 3. Спираль молекулы ДНК

Ограниченность цифровых ЭВМ Уже давно идут разговоры о скором достижении предела полупроводниковой технологии производства вычислительных устройств. Уменьшение размера компонентов интегральной схемы до нм приведет к появлению ряда проблем, связанных с физической природой полупроводниковых наночастиц. Во-первых, концентрацию дотирующих полупроводниковый кристалл элементов уже нельзя считать одинаковой во всем объеме. Во-вторых, резко увеличится вероятность туннельной электронной утечки (проще говоря, замыкания) между компонентами интегральной схемы. Следствием этих двух причин станет возросшая доля дефектных чипов и недолговечность их эксплуатации (а, значит, и себестоимость полупроводниковой продукции).

Ограниченность цифровых ЭВМ При анализе нелинейных процессов, далеких от состояния равновесия, приходится прибегать к численному решению. Допустим, мы исследуем динамику системы, состоящей из А частиц В видов, распространенных в какой-то среде и взаимодействующих между собой. Пусть это будет какая-то система химических реакций в живой клетке. В результате взаимодействий частиц разных видов постоянно появляются частицы с новыми качествами. Сегодня способ решения таких задач состоит в прямом численном интегрировании уравнений движения частиц в частных производных для каждой взаимодействующей группы частиц. Расчеты становятся невозможными, как только количество частиц А становится больше 10 6 и это даже с учётом перспективы роста быстродействия цифровых ЭВМ. Но потребность в таких расчётах постоянно возникает в науке и технике, скажем, при решении проблемы удержания в ловушках плотной плазмы, при исследованиях образования кристаллических структур, кинетики химических процессов, биологического морфогенеза, эволюции биологических популяций... Один из путей преодоления этих трудностей переход от дискретной процедуры расчёта к аналоговой.

Принцип действия аналоговой ЭВМ Аналоговая ЭВМ основаны на активных биологических плёнках, использующих специальным образом организованные химические реакции, например автоволновые Первую такую реакцию открыл советский ученый Б.Белоусов в 1956 году. В 1970 году А.Жаботинский и А.Заикин создали химически активную среду, где можно было наблюдать автоволновой химический процессор: тонкий слой раствора через определенные промежутки времени менял свою окраску Автоволновые колебания сопровождают нас повсюду. Это и передача информации в живом организме, и сокращение сердечной мышцы, и процессы активации катализаторов, и начальные этапы возникновение новых форм и структур у простейших организмов Рис.2. Автоволновая реакция Белоусова -Жаботинского

Принцип действия аналоговой ЭВМ Автоволны сохраняют постоянными такие свои характеристики, как период, длина волны, амплитуда и фаза Если мы возьмем молекулу белка размером 3050 A, то увидим, что перед нами активный элемент активной среды, который может находиться в нескольких устойчивых состояниях. Пусть по такой среде движется автоволна со скоростью 0.1 мм/с (хотя скорости автоволн могут быть больше). В пересчёте на цифровой вариант быстродействие устройства составит 10 6 операций в секунду. Если белковые молекулы прикрепить к плёнке, то кусочек её размером 1 см 2 может содержать свыше активных молекул. При движении плоской волны по такой плёнке каждую секунду будет происходить переключений. Определяющим оказывается сам процесс распространения автоволн, картина, возникающая при этом процессе, её трансформация, которой можно управлять с помощью различных "возмущающих" воздействий. Достаточно на "вход" подавать определенные возмущающие воздействия вид образующейся картины автоволновой реакции явится искомым решением задачи. То есть перед нами тот же аналоговый процессор.

Инфузорное программирование Исследователи из голландского «Центра природных вычислений» при Лейденском университете полагают, что, освоив некоторые приемы генетических манипуляций, заимствованные у простейших одноклеточных организмов - ресничных инфузорий, человечество сможет воспользоваться гигантским вычислительным потенциалом, скрытым в молекулах ДНК. Уникальность ресничных в том, что их клетка имеет два ядра: одно большое, «на каждый день», где в отдельных нитях хранятся копии индивидуальных генов; одно большое, «на каждый день», где в отдельных нитях хранятся копии индивидуальных генов; и одно маленькое, хранящее в клубке используемую при репродукции единственную длинную нить ДНК со всеми генами сразу. и одно маленькое, хранящее в клубке используемую при репродукции единственную длинную нить ДНК со всеми генами сразу. В ходе размножения «микроядро» используется для построения «макроядра» нового организма. Происходит«нарезание» ДНК микроядра на короткие фрагменты и их перетасовка, гарантирующие то, что в макроядре непременно окажутся нити с копиями всех генов. Учеными установлено, что способ, с помощью которого создаются эти фрагменты, удивительно напоминает технику «связных списков», издавна применяемую в программировании для поиска и фиксации связей между массивами информации. Более глубокое изучение репродуктивной стратегии ресничных инфузорий при сортировке ДНК открывает новые и интересные методы «зацикливания», сворачивания, исключения и инвертирования последовательностей. Рис. 3. Ресничная инфузория

Клеточные компьютеры Эксперименты исследователей British Telecom показали, что их система, имитирующая поведение колонии водорослей в строматолитах, способна поддерживать работу сети из нескольких тысяч устройств, автоматически управляя большими популяциями отдельных элементов. Строматолиты - карбонатные мелководные постройки в области смешения пресных и морских вод, образованные сине-зелеными и другими водорослями, жившими в протерозое, венде, кембрии и ордовике Основой самоорганизации стало присвоение различных приоритетов рассылаемым по сети пакетам данных. Например, высший приоритет получили «информационные» пакеты, поэтому ими занимаются устройства, имеющие в данный момент наилучшие связи с максимальным числом элементов сети. В British Telecom полагают, что воплощение экспериментальной концепции в реальных продуктах можно ожидать уже через пять- шесть лет. Рис. 4. Сеть строматолитов

Нейронная микросхема Группе учёных из мюнхенского Института биохимии имени Макса Планка удалось создать первый в мире нейрочип. Такая микросхема сочетает в себе электронные элементы и нервные клетки. Взяв нейроны улитки, ученые закрепили их на кремниевом чипе при помощи микроскопических пластмассовых держателей. В итоге каждая клетка оказалась соединена как с соседними клетками, так и с чипом. Подавая через чип на определённую клетку электрические импульсы, можно управлять всей системой Нейрочипы позволят создать более совершенные, способные к обучению компьютеры, а также протезы для замены повреждённых участков мозга и высокочувствительные биосенсоры. Рис.5. Нейрочип Перейти к тестированию

Тест к разделу 1 В каком году был создан первый биокомпьютер?

Сколько переключений в секунду будет происходить при движении автоволны по белковой плёнке

Раздел 2. Биочипы Биочип - анализирующая матрица размером несколько сантиметров из фрагментов ДНК, нанесенных на подложку. Биочипы по природе нанесенного на подложку материала: «олигонуклеотидные», когда наносятся короткие фрагменты ДНК, обычно принадлежащие к одному и тому же гену «олигонуклеотидные», когда наносятся короткие фрагменты ДНК, обычно принадлежащие к одному и тому же гену биочипы на основе кДНК, когда робот наносит длинные фрагменты генов (длиной до 1000 нуклеотидов). биочипы на основе кДНК, когда робот наносит длинные фрагменты генов (длиной до 1000 нуклеотидов).

Биочипы Наиболее популярны в настоящее время биочипы на основе кДНК, ставшие по- настоящему революционной технологией в биомедицине. Определяющей технологической идеей стало применение стеклянной подложки для нанесения генетического материала, что сделало возможным помещать на нее ничтожно малые его количества и очень точно определять местоположение конкретного вида тестируемой ДНК. Для приготовления биочипов стали использоваться роботы, применяемые прежде в микроэлектронике для создания микросхем. Рис. 6. Робот для приготовления биочипов

Биочипы. Технология Молекулы ДНК каждого типа создаются в достаточном количестве копий с помощью процесса, называемого амплификацией; этот процесс также может быть автоматизирован, для чего используется специальный робот - умножитель. После этого полученный генетический материал наносится в заданную точку на стекле и химически к стеклу прикрепляется (иммобилизация). Для иммобилизации генетического материала необходима первичная обработка стекла, а также обработка напечатанного биочипа ультрафиолетом, стимулирующим образование химических связей между стеклом и молекулами ДНК. Рис. 7. Технология биочипов

Постановка эксперимента с биочипом Из клетки выделяется смесь продуктов работы генов, т. е. РНК различных типов, производимых в определенных условиях. Результатом эксперимента и является знание того, продукты каких именно генов появляются в клетке в условиях, интересующих исследователя. Молекулы каждого типа РНК связываются с единственным типом молекул из иммобилизованных на биочипе. Те молекулы, которые не связались, смывают. Для определения того, к каким из иммобилизованных на чипе молекул нашлись «партнеры» в исследуемой клетке, экспериментальная и контрольная РНК метится флуоресцирующими красителями. Рис. 8. Флуоресцентное свечение связанных исследуемой и контрольной РНК (ДНК)

Биопреобразователи Биологические устройства способны преобразовывать энергию самых различных видов химическую, механическую, световую, электрическую, причем в ряде случаев возможно обратное её преобразование, что позволяет использовать одни и те же биопреобразователи для разных измерений. В биологической ЭВМ сверхчувствительные датчики- преобразователи являются источником входной информации

Биопреобразователи Коэффициент полезного действия их чрезвычайно высок и иногда близок к 100% Биодатчики могут реагировать на самые разные вещества, демонстрируя необычайную чувствительность, улавливая в окружающей среде буквально отдельные молекулы. Такой средой могут быть воздух, вода, растворы, прочие жидкости. К тому же они "живучи", то есть обладают повышенной устойчивостью к физико-химическим воздействиям. При окислительных реакциях с участием ферментов (тоже белков) некоторые белки начинают светиться. Явление это называют биолюминесценцией. Изучено оно еще недостаточно, но многое уже известно. Можно, например, использовать в качестве рабочего тела датчика фермент люциферазу, которая реагирует с самыми различными белковыми соединениями. В зависимости от концентрации белка интенсивность свечения меняется, её можно регистрировать.

Белковый биодатчик Допустим, что на "вход" ЭВМ, следящей за ходом какого-нибудь технологического процесса, поступают определенные химические вещества, подлежащие обнаружению и анализу. Датчик должен зарегистрировать их концентрацию и выдать определенный сигнал. При этом молекулы иммобилизованного, присоединенного к подложке белка, улавливая молекулы или атомы других веществ, меняют свои размеры расширяются или сжимаются, что легко фиксируется. Затем датчик "отмывается", сбрасывает присоединенное вещество и возвращается в исходное положение. Рис. 9. Схема работы белкового хемомеханического биопреобразователя: 1 - молекула белка; 2 - ковалентные сшивки; 3 - молекула "постороннего"вещества, на появление которой реагирует датчик, изменяя свои размеры.

Бактериородопсин и машинная память В Институте биологической физики АН СССР более 10 лет назад было выяснено, что белок бактериородопсин может обратимо действовать в растворе и в тонкой пленке как влажной, так и полностью обезвоженной, не утрачивает нужных свойств при нагревании почти до 100°С, устойчив к действию многих химических веществ, электротока и электромагнитных полей. Обезвоженный бактериородопсин может "останавливаться" на определенной стадии фотохимического цикла, сохраняя записанное на нём изображение, а значит, есть возможность использовать его как фотоноситель. По светочувствительности и разрешающей способности молекулы этого белка удачные кандидаты на роль фоторегистрирующего материала. Они легко кристаллизуются, образуя плёнку с шагом решётки около 40 A, а каждая молекула при воздействии на неё лучом лазера меняет свой цвет. Плёнки эти можно использовать многократно, записывая и стирая изображения. В 1978 году удалось получить первую такую пленку. К 1982 году она была усовершенствована.

Запись информации на биоматериал Стало ясно, что на основе материалов с такой высокой разрешающей способностью (ведь цвет меняет единичная молекула!) в сочетании с лазерной техникой, которая способна обеспечить быструю запись и стирание информации, можно создать уникальные запоминающие устройства. Предельная ёмкость памяти таких устройств бит/см 3. Колоссальная цифра! Это значит, что на диске из подобного фотоносителя размером с долгоиграющую пластинку можно записать текст нескольких десятков тысяч книг! Рис. 10. Схема записи информации на биологический фоторегистрирующий материал, созданный на основе белка бактериородопсина.

Первый коммерческий биокомпьютер В конце февраля 2002 г. появилось сообщение, что фирма Olympus Optical претендует на первенство в создании коммерческой версии ДНК-компьютера, предназначенного для генетического анализа. Компьютер, построенный Olympus Optical, имеет молекулярную и электронную составляющие. Первая осуществляет химические реакции между молекулами ДНК, обеспечивает поиск и выделение результата вычислений. Вторая – обрабатывает информацию и анализирует полученные результаты. Рис. 11. ДНК-компьютер фирмы Olympus Optical Пройти тест

Заключение Сегодня микротехника, создаваемая на базе биологических материалов, делает свои первые шаги. Но, судя по всему, лет через 1015 она будет играть заметную роль в науке и технике. Биокомпьютеры начнут управлять роботами, машинами, они станут неотъемлемыми участниками самых разных производственных процессов в химическом и сельскохозяйственном производстве, медицинской и пищевой промышленности. Без них будет трудно обойтись в научных исследованиях, при решении вопросов охраны окружающей среды. Короче говоря, будущее у этих замечательных устройств самое перспективное!

Для определения связанных друг сдругом молекул ДНК и РНК используют: Меченые электроны Меченые электроны Флуоресцентные красители Флуоресцентные красители Радиоактивное излучение Радиоактивное излучение Лазер Лазер

Что изменяет биодатчик при внешнем воздействии? Величину магнитного поля Величину магнитного поля Размеры или цвет Размеры или цвет Величину магнитного поля или цвет Величину магнитного поля или цвет Размеры и величину электрического поля Размеры и величину электрического поля Емкость памяти на бактериодопсине составляет: бит/см бит/см бит/см бит/см бит/см бит/см бит/см бит/см

Что такое биологическая система?

Биологическая система - это живая структура, существующая в определенной для неё среде обитания, обладающая способностью обмена веществ и энергии, а также защитой обмена и копирования информации, которая определяет её функции и возможности совершенствования способов взаимодействия с окружающей средой для сохранения и передачи информации о себе.

Структура биологической системы "клетка":

1. Информационный блок - информационный код, записанный в виде молекул ДНК, РНК. По аналогии с компьютерной программой - является "воплощенным Словом" определяющим функции и параметры системы. Его авторство принадлежит Творцу, Источнику жизни, Создателю всего видимого и не видимого - Богу.
2. Энергетический блок - запрограммированные возможности получения, преобразования и расхода энергии (циркуляции энергии). Энергия - сила необходимая для поддержания жизнедеятельности структурных элементов системы и активации их функций. Или, энергия - это количественная мера взаимодействия всех видов материи и информации, вызывающее изменение их состояния или структуры.
3. МПТ блок (материя, плоть, тело) - внешнее проявление информационного кода. Его функции - защита, сохранение, обмен информации. Является матрицей хранения и копирования информации. К нему относятся: мембраны, ферменты, рецепторы мембран, транспортные каналы мембран, биологически активные вещества (БАВ).

Основные задачи биологической системы "клетка": сохранение, обмен, копирование информации заключенной в ней.

Для выполнения своих задач, в первую очередь копирования, система должна попасть и находиться в определенной среде обеспечивающей ей адекватное потребностям поступление веществ и энергии.
Для регуляции процессов обеспечивающих сохранение, обмен и копирования информации используется рецепторно-медиаторный принцип.

Рецепторно-медиаторный принцип

Рецептор - (от лат. recipere - получать) любая информационно-энергетическая материальная система или структура (ИЭМ система, структура) воспринимающая информацию и изменяющая свое состояние или структуру определенным образом в результате действия медиатора.

Медиатор - (посредник, передатчик) любая ИЭМ система или структура, предназначенная для передачи определенной информации для рецептора.

Мы знаем о разных уровнях организации ИЭМ систем и структур это - атом, молекула, сложная молекула, вещество, вирус, клетка, ткань, орган, организм, коллектив, народ, государство, планета земля, солнечная система, галактика, вселенная.
На разных уровнях организации ИЭМ систем или структур свои механизмы рецепторно-медиаторного взаимодействия. Это относится и к межуровневому взаимодействию.
Изучение этих механизмов, а также поиск медиаторов для рецепторов и описание ответов (изменения состояния или структуры) ИЭМ систем или структур относится к задачам ученых.

Виды взаимодействия рецептора и медиатора

1. Определенный медиатор действует на определенный рецептор биологической системы, что ведет к определенному ответу.

2. Определенный медиатор действует на рецепторы, определяющие разные ответы биологической системы.

3. Несколько медиаторов действует на определенный рецептор биологической системы, что ведет к определенному ответу.

4. Несколько медиаторов действует на определенный рецептор, что ведет к разным ответам биологической системы (взаимодействие характерное для сложных биологических систем).

Результатом взаимодействия медиатора и рецептора является изменение состояния или структуры системы.

Состояние физиологического покоя - это состояние, при котором биологическая система находится в своей среде обитания и выполняет свои задачи, не выходя за рамки среднестатистических данных ее функциональной активности.

Основные механизмы регуляции состояния биологической системы

1. Изменение количества медиатора или рецептора (увеличение, уменьшение)
2. Изменение качества медиатора или рецептора путем изменения их структуры (усиление, ослабление, разрушение) и как следствие изменение их связи и передачи информации.

В биологической системе любая ИЭМ структура может быть, как рецептором для одних ИЭМ структур, так и медиатором для других. Контроля над регуляцией определенного состояния системы можно добиться тогда, когда мы знаем способы воздействия, изменяющие количество и качество медиатора и рецептора, отвечающих за это состояние.

Возможности изменения состояния клетки

Единственная возможность изменить состояние и структуру биологической системы "Клетка" - это изменить медиаторное действие окружающей среды обитания.
Изменение окружающей среды, которое обеспечивает поступление веществ, энергии и информации (воды или жидкости, воздуха или газов, земли или органических и неорганических химических элементов, температуры, физических полей, излучений, давления) ведет к изменению состояния или структуры клетки.

Структуры клетки, изменяющиеся в результате изменений окружающей среды.

1. Молекулы ДНК, РНК (источник информации о клетке и копирования).
2. Мембраны клетки и органел (защита клетки и внутренней среды).
3. Ферменты (регуляторы скорости обмена веществ, энергии, информации в клетке).
4. Рецепторы мембран (воспринимают информацию для клетки).
5. Транспортные каналы мембран (ворота входа и выхода веществ, энергии и информации).
6. Биологически активные вещества (медиаторы - продукты клетки, предназначенные для передачи информации внешней и внутренней среде).

Изменение качества и количества любой из этих структур в нужном направлении происходит за счет определенного изменения поступления жидкости, газа, органических или неорганических химических элементов, изменения температуры, физических полей, излучений, давления.

- Как Вы бывший военный врач, организатор с большим стажем вышли на теоретическую проблему устройства живого?

Каждый из нас в мыслях не раз обращался к этой теме, часто сомневаясь в справедливости гипотез спонтанного появления живого и теории эволюции . Навсегда сохранилось чувство изумления от "ума" компьютера после знакомства с его устройством и работой. Бурю мыслей породило исследование генома человека и других организмов, не оправдавшиеся сенсации , прогнозы и парадоксы . Впечатления , слившись, подвигли вновь читать биологию, затем информатику, искать в доступном пространстве всё, что касалось генетики , геномики , генов . Вскоре понял , что клетка и компьютер работают на основе общих информационных правил .

Но это надо доказать!

Конечно. Вначале, используя сравнения и аналогии, убедился, что клетка имеет строение типичное для компьютеров. Мембрана, как корпус компьютера, защищает внутреннее содержимое клетки от внешних воздействий и служит местом для подключения устройств ввода - вывода, роль которых выполняют рецепторы. Функцию материнской платы несёт цитоплазма, удерживая органеллы клетки в нужном положении и связывая их между собой. А вот и "сердце" клетки - ядро, хромосомы, гены, нить ДНК у про-кариот, выполняющие главную функцию по обработке информации, хранению долговременной и оперативной памяти, как винчестер в техническом компьютере. Аналогично переносным носителям информации - жестким и гибким дискам, в клетке интенсивно работают подвижные носители - это РНК, белки, прионы. Отличительной особенностью любой информационной машины является наличие часов и источника энергии . В клетке количество делений и время отсчитывают теломеры, а митохондрии обеспечивают энергией в виде АТФ. Молекулярная электроника опередила биологические отрасли наук, подтвердив предсказанную ранее миниатюризацию компьютеров, возможность использования в силу своей структуры и свойств многих органических молекул, в том числе и ДНК, в качестве транзисторов , триггеров , логических элементов и создания на их основе информацион-ных машин . Лабораторные варианты органического компьютера существуют, программное обеспечение для них также обязательно.

Какие ещё факты свидетельствуют об информационной состав-ляющей клеток?

Мне представляется самым весомым аргументом геномный парадокс , проявления которого до сих пор традиционными способами не могут быть объяснены. Оказалось, что структура генов не всегда определяет их свойства. Не подтвердились положения "ген - признак ", "ген - функция ", "ген -заболевание ". Один и тот же ген на разных этапах развития организма может выполнять разные функции . В генной сети функция гена может отличаться от функции изученной в изолированном состоянии. Много генов, которые "молчат", их свойства не известны. Общие по структуре гены могут контролировать развитие разных вариантов клеток. Ген человека и дрозофилы вырабатывает один и тот же сигнал - белковый лиганд для клеток мезодермы, контролируя образование крыльев мухи и парных конечностей человека. Начальные этапы миогенеза осуществляются набором генов, общих у дрозофилы, низших и высших животных и млекопитающих, включая человека. Число и организация НОХ-генов на хромосомах одинаковы практически у всех млекопитающих. Один и тот же ген можеткодировать несколько белков, а одному и тому же варианту белка могут соответствовать несколько генов. ДНК - дупликации, какую роль они играют и почему так разнятся геномы шимпанзе и человека по этому признаку? В Вашем обзоре ("МГ", №77 - 5.10.2005, с.14) отмечено, что у человека и шимпанзе одни и те же гены имеют в разных органах разную активность. Это за счёт разных программ , которые определяют существенные различия между биологическими видами. Теперь о парадоксальном количестве генов и "лишней ДНК" у разных биологических видов . У нематоды, (размером около 1мм.), генов 19903, у рыбки фугу (около 10 см) - 33609, крысы примерно 25000 и человека - 30000; соответственно некодирующей ДНК ("лишней, эгоистичной, мусорной") в % - 25, 16, 75, 97. Чем выше организован организм , тем меньше генов в его геноме и больше не кодирующей части нуклеотидов, чем сложнее процессы , тем меньше требуется генов для обеспечения жизнедеятельности. И, конечно же, по геномам не наблюдается никакого эволюционного ряда в развитии организмов.

В "мусорной" части ДНК много одинаковых повторяющихся последовательностей нуклеотидов. Есть ли здесь информационный смысл?

Предположение, основанное на развитии информационных техно-логий , уместно. Сейчас показано, что если на одной интегральной схеме штампуются микропроцессоры , места для хранения информации и другие элементы конструкции компьютера , то его производительность при сокращении размеров значительно повышается. Не надо "ходить" далеко за информацией, тратить лишнюю энергию. Огромное информационное пространство ДНК требует, чтобы вокруг генов концентрировались свои процессоры для работы с информацией , места для её хранения ,оперативной и долговременной памяти , что обеспечивало бы и последовательную и параллельную работу по анализу поступающей информации и выработке ответных решений и команд . Этим достигается быстродействие и дублирование на случай "внештатной " ситуации . Возможно, что нуклеотидные повторы и ДНК - дупликации как-то специализированы по информационным функциям .

А каковы существенные отличия биологических компьютеров от технических?

- Высокая надёжность за счёт стабильности органических соедине-ний и наличия системы многоуровневой защиты от повреждения носителей и искажения собственной информации . ДНК самая стойкая к тлению молекула, а апоптоз самый эффективный механизм защиты . Огромнаяпроизводительность , исчисляемая триллионами операций в секунду. Органические молекулы способны мгновенно изменять своё состояние под воздействием лазера , видимых частей светового спектра, звука, радиоволн. Наверное, не случайно двадцать аминокислот, участвующих в построении белков, в живом "левые", при изменении положения аминогруппы в углеродной цепи, им может быть доступна функция двоичной системы исчисления. Часть молекул могут генерировать лазерные отстрелы, выполнять функции хроматофоров, светодиодов, преобразователей сигналов. Геномы светятся, издают звуки, генерируют радиоволны определённых диапазонов, что регистрируется приборами. Приведенные рассуждения позволили дать одноклеточному организму и клетке информационное определение . Это органические замкнутые информационные машины , работающие на основе сложного программного обеспечения , определяющего их структурно-функциональную организацию, видовую принадлежность , целевые механизмы гомеостаза, воспроизводства себе подобных , с автономным энергетическим обеспечением и счётчиком времени . Я избегаю терминаэлектронно-вычислительная машина , потому что в клетке при обработке информации поток электронов не используется, и это не вычислительная , а логическая машина .

Но термин "биокомпьютер" я встречал задолго до вашей публикации.

Да, но в очень вольных интерпретациях. Всё, что не укладывается в приведенное выше определение, биокомпьютерами не являются, в том числе вирусы . На заре компьютерной эпохи биокомпьютером называли высокоорганизованные организмы. Затем представители определённых профессий считали компьютером мозг , с развитием генетики и геномики - перешли на геном, даже говорили о ДНК-компьютерах . Сегодня специалисты , исследующие информационные свойства воды , называют её "биокомпьютером живого ". Вода, хотя и обязательная, но только составная часть биологическогокомпьютера . В клетках, где информационные процессы превалируют, в частности в нейронах, воды до 90%, в волосах и ногтях её всего 8-10%.

А как же организмы или мозг ?

А вот многоклеточные организмы состоят из биокомпьютеров , скомпонованных и объединённых по принципам информационной сети .

Но как объединяются биологические компьютеры , составляющие организм ?

На помощь вновь приходит порождение информационной эпохи - созданная человеком глобальная информационная сеть Интернет . Главным условием для функционирования сети является совместимость всех компьютеров по техническим параметрам и программному обеспечению . В каждом организме клетки идентичны по структуре и имеют абсолютно одинаковое программное обеспечение . Исключение составляют эритроциты , они не имеют ядра и лишены информационных функций . В сети также необходим механизм для поддержания порядка и организованности, который обеспечивается серией технологий и протоколов Интернет . Назовём только часть из них.Transmission Control Protocol (ТСР) - вы не войдёте в сеть , не зарегистрировавшись у провайдера .Протоколы единой информационной паутины - в живом подобных протоколов и программ должно быть значительно больше, учитывая сложность , многофункциональность процессов и количествосоставляющих сеть биологических компьютеров . Человек это 14 трлн биокомпьютеров , в полтора раза больше, чем звёзд в двух галактиках вместе взятых - Млечном пути и Туманности Андромеды . Главная особенность Internet - это серверы на различных участках в сети . Это те же компьютеры , только предназначенные для обслуживания других компьютеров . Они, имея свои программы , напоминают нейроны с их удивительными функциональными возможностями. Их у человека 20 млрд.Чем выше организован организм, тем выше функциональные возможности нейронов. К примеру, у нематоды каждый нейрон приходится на 5 соматических клеток, у человека на 5000. Модем с соответствующей программой позволяют войти в сеть , осуществлять удалённое соединение ,загрузку файлов из компьютера в сеть и обратно - из сети в компьютер , обеспечиватьрегистрацию , смену протокола и другие функции. Бесспорно, это аналог синапсов, которые обеспечивают контакты между клетками. Информационная система человека на сегодня - вершина технологии . Интернет в сравнении с ней находится в зародышевом состоянии, его возраст около 40 лет. Основное отличие это огромная разница по количеству и мощности составляющихкомпьютеров , по сложности , многослойности и разнообразию программ . Считается, что для развития информационных сетей существует лишь два ограничения : быстродействие компьютеров и пропускная способность , связывающих их каналов. Так что перспективы развития у Интернета огромные. Но сегодня ни один из компьютеров , ни информационная система , созданные человеком, не в состоянии повторить работу биологического компьютера и самого простого многоклеточного организма.

Каковы же главные выводы из Ваших рассуждений?

Нельзя познать живое без изучения его информационной составляющёй, как и бесперспективно, искать живое и жизнедеятельность вне клетки. Информационная составляющая живого неизменна , геномы организмов стабильны и имеют многовариантную защиту . Изменчивость геномов ипрограмм угрожала бы гибелью не только особям , но и биологическим видам . Эволюции , как её трактует классическая биология , не могло быть, мутации не наследуются , а "лечатся "информационной системой живого . Все организмы не приспосабливаются, а противостоят факторам среды и способны к научению на основе собственного опыта. И организмы, и их репродуктивные способности программировались, создавались, возникали одновременно. Это один из многочисленных прогностических целевых цикличных процессов, присущих живому. Извечной проблемы "курицы " и "яйца " просто не существует. Темпы развития информационных технологий , особенно молекулярной электроники, удивляют - за 60 лет от вычислительных залов до молекулярного компьютера . Удивляют учёных короткие по эволюционным меркам промежутки времени, за которые усложнялись биологические виды, необъяснимые мутациями . Создаваяинформационные устройства , человечество , возможно, повторяет уже кем-то пройденный путь .Информационная составляющая как основа каждого живого организма существует! Однако сегодня нет отрасли знаний, методология, цели и методы исследований которой могли бы найти ключ к информационной части и информационным процессам в живом. Пора лечить очень распространённый хронический недуг цивилизации - "флюс " односторонности узких специалистов! Нужна информационная биология, как новая интеграционная наука, которая вобрала бы в себя современные информационные , технические , биологические , медицинские знания , достижения физики , химии и поставила бы задачу познать информационную суть живого . Здесь кроется самая тайная из тайн и самая загадочная из загадок устройства нашего мира!

Создавая информационные устройства , ч еловечество , возможно, повторяет уже кем-то пройденный путь ........

Клеточные компьютеры представляют собой самоорганизующиеся колонии различных "умных" микроорганизмов, в геном которых удалось включить некую логическую схему, которая могла бы активизироваться в присутствии определенного вещества. Для этой цели идеально подошли бы бактерии, стакан с которыми и представлял бы собой компьютер. Такие компьютеры очень дешевы в производстве. Им не нужна столь стерильная атмосфера, как при производстве полупроводников.

Главным свойством компьютера такого рода является то, что каждая их клетка представляет собой миниатюрную химическую лабораторию. Если биоорганизм запрограммирован, то он просто производит нужные вещества. Достаточно вырастить одну клетку, обладающую заданными качествами, и можно легко и быстро вырастить тысячи клеток с такой же программой.

Основная проблема, с которой сталкиваются создатели клеточных биокомпьютеров, - организация всех клеток в единую работающую систему. На сегодняшний день практические достижения в области клеточных компьютеров напоминают достижения 20-х годов в области ламповых и полупроводниковых компьютеров. Сейчас в Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического университета создана клетка, способная хранить на генетическом уровне 1 бит информации. Также разрабатываются технологии, позволяющие единичной бактерии отыскивать своих соседей, образовывать с ними упорядоченную структуру и осуществлять массив параллельных операций.

Трансгенные технологии

В 2001 г. американские ученые создали трансгенные микроорганизмы (т. е. микроорганизмы с искусственно измененными генами), клетки которых могут выполнять логические операции «И» и «ИЛИ», возможны сочетания этих операций. Специалисты лаборатории Оук-Ридж, штат Теннесси, использовали способность генов синтезировать тот или иной белок под воздействием определенной группы химических раздражителей. Ученые изменили генетический код бактерий Pseudomonas putida таким образом, что их клетки обрели способность выполнять простые логические операции. Например, при выполнении операции И в клетку подаются два вещества (по сути - входные операнды), под влиянием которых ген вырабатывает определенный белок. Теперь ученые пытаются создать на базе этих клеток более сложные логические элементы, а также подумывают о возможности создания клетки, выполняющей параллельно несколько логических операций.

Потенциал биокомпьютеров очень велик. К достоинствам, выгодно отличающим их от компьютеров, основанных на кремниевых технологиях, относятся:

1) более простая технология изготовления, не требующая для своей реализации столь жестких условий, как при производстве полупроводников 2) использование не бинарного, а тернарного кода (информация кодируется тройками нуклеотидов), что позволит при меньшем количестве шагов перебрать большее число вариантов при анализе сложных систем 3) потенциально исключительно высокая производительность, которая может составлять до 1014 операций в секунду за счет одновременного вступления в реакцию триллионов молекул ДНК 4) возможность хранить данные с плотностью, в триллионы раз превышающей показатели оптических дисков 5) исключительно низкое энергопотребление

Однако, наряду с очевидными достоинствами, биокомпьютеры имеют и существенные недостатки, такие как:

1) сложность со считыванием результатов - современные способы определения кодирующей последовательности не совершенны, сложны, трудоемки и дороги 2) низкая точность вычислений, связанная с возникновением мутаций, прилипанием молекул к стенкам сосудов и т.д. 3) невозможность длительного хранения результатов вычислений в связи с распадом ДНК в течение времени

Хотя до практического использования биокомпьютеров еще очень далеко, и они вряд ли будут рассчитаны на широкие массы пользователей, предполагается, что, они найдут достойное применение в медицине и фармакологии, а также с их помощью станет возможным объединение информационных и биотехнологий.

Биокомпьютеры будут управлять гигантскими заводами, странами и поведением людей. Компьютерами будущего станут ДНК и бактерии.

Учёные уже определились, как можно будет обойти закон Мура, согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые два года.

Закон предсказывает, что к 2060 г. элементы микросхемы станут размером с атом, что невозможно с точки зрения квантовой механики. Хотя произойти это может гораздо раньше.

За последние несколько лет период удвоения производительности сократился с двух до полутора лет.

Впрочем, сам Гордон Мур еще в 2007 г. высказал мысль, что его закон скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света. Однако это не означает остановку технического прогресса. Принципиально новый его этап начнется, когда человечество откажется от квантових компьютеров в пользу биологических.

Биокомпьютеры — своеобразный гибрид информационных технологий и биологических систем

Исследователи биологии, физики, химии, генетики — используют природные процессы для создания искусственных вычислительных схем. Согласно прогнозу агентства IDC к 2020 г. объём данных, созданных и сохраненных человечеством, достигнет 40 000 эксабайт. Это 40 трлн гигабайт, или по 5200 гигабайт на человека.

Для хранения такого объёма информации было бы достаточно менее 100 г ДНК. Вычислительная мощность ДНК-процессора размером с каплю превышает возможности самых продвинутых суперкомпьютеров.

Более 10 трлн ДНК-молекул занимают объём всего в 1 куб. см. Такого количества достаточно для хранения объёма информации в 10 Тбайт, при этом они могут производить 10 трлн операций в секунду.

Ещё одно преимущество ДНК-процессоров в сравнении с обычными кремниевыми заключается в том, что триллионы молекул ДНК, работая одновременно, могут производить все вычисления не последовательно, а параллельно, что обеспечивает моментальное выполнение сложнейших математических расчётов (до 1014 операций в секунду).

Теоретически кодировать информацию в молекулах несложно: по сути, это происходит по аналогии с обычным программированием. Современные компьютеры работают с бинарной логикой: используя последовательность нулей и единиц, можно закодировать любую информацию.

В молекулах ДНК имеется четыре базовых основания: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T), связанных в цепочку. При кодировании информации на молекуле ДНК используется четверичная логика.

Как современные микропроцессоры имеют набор базовых функций типа сложения, сдвига, логических операций, так ДНК-молекулы под воздействием энзимов могут выполнять такие базовые операции, как разрезание, копирование, вставка и т. п.

Причём разные манипуляции с ДНК-молекулами идут параллельно — они не будут влиять друг на друга. Это необходимо для решения многоуровневых задач.

Экспериментов было немало, причём использовались не только ДНК, но и РНК. Ученые Принстонского университета заставили молекулы рибонуклеиновой кислоты решать комбинаторную шахматную задачу. РНК нашли правильный ход шахматного коня на доске из 512 вариантов.

Первый «физически осязаемый» биокомпьютер в 1999 г. создал профессор Ихуд Шапиро Вейцмановского института естественных наук. Пластмассовая модель имитировала работу молекулярной машины в живой клетке.

В 2001-м Шапиро удалось воплотить систему в реальном биокомпьютере, который состоял из молекул ДНК, РНК и специальных ферментов. Молекулы фермента выполняли роль аппаратного, а молекулы ДНК — программного обеспечения. При этом в одной пробирке помещалось около триллиона элементарных вычислительных модулей.

В результате скорость вычислений достигла миллиарда операций в секунду, а точность — 99,8%. Но биокомпьютер Шапиро может применяться лишь для решения самых простых задач, выдавая всего два типа ответа: «истина» или «ложь».

В конце февраля 2002 г. появилось сообщение, что японская фирма Olympus Optical в сотрудничестве с профессором Токийского университета Акирой Тоямой претендует на первенство в создании коммерческой версии ДНК-компьютера. Обычно анализ генов выполняется вручную и занимает более трёх дней: Биосистема же способна выполнять все необходимые расчёты всего за шесть часов.

Результаты более свежих исследований и достижений в этой сфере остаются засекреченными. Из дозированных сообщений известно лишь, что учёные работают над решением двух принципиальных задач, без ответа на которые невозможно создать полноценный биокомпьютер. Первая — организация клеток в единую рабочую систему. Вторая — быстрое и правильное извлечение сохраненной информации.

Биокомпьютер заменит все традиционные технические средства

Биокомпьютеры произведут революцию не только в IT-сфере, но и во многих других отраслях.

Учёные уверены, что в перспективе ДНК-машины смогут взаимодействовать с клетками человека, осуществлять наблюдение за потенциальными болезнетворными изменениями и синтезировать лекарства для борьбы с ними, производить гормоны и доставлять определенную дозу препарата к конкретному органу.

Психиатры говорят о возможности внедрения крошечных биомашин в организм человека для лечения психических расстройств, а со временем и для коррекции поведенческих реакций.

С помощью клеточных компьютеров можно будет объединить технологии для управления предприятиями всех видов продукции. Причём всего за несколько часов можно будет проанализировать эффективность деятельности огромного завода, просчитать конкурентоспособность основных видов товаров и необходимость расширения производства.

Биокомпьютерные технологии в бизнесе, науке, производстве и даже в управлении государством позволят моментально найти наилучшие решения — это избавит мир от фатальных проблем, связанных с неумелым руководством.

Способность получать как можно больше пользы за счёт технологий

Уже давно идут разговоры о скором достижении предела полупроводниковой технологии производства вычислительных устройств. Уменьшение размера компонентов интегральной схемы до 80-120 нм приведет к появлению ряда проблем, связанных с физической природой полупроводниковых наночастиц. Во-первых, концентрацию допирующих полупроводниковый кристалл элементов уже нельзя считать одинаковой во всем объеме. Во-вторых, резко увеличится вероятность туннельной электронной утечки (проще говоря, замыкания) между компонентами интегральной схемы. Следствием этих двух причин станет возросшая доля дефектных чипов и недолговечность их эксплуатации (а, значит, и себестоимость полупроводниковой продукции).

Видя столь незавидные перспективы, многие известные научные институты и компании (а среди них такие монстры, как Массачусетский технологический институт, лаборатории Сандия, IBM, Оксфордский университет) ищут новые принципы, новые физические основы для создания более эффективных, чем полупроводниковые, "счетных машин". Причем нет гарантии, что новые устройства, пришедшие на замену компьютерам, работающим на электрической энергии, будут хотя бы отдаленно напоминать своих предшественников.

Одной из альтернатив современной полупроводниковой технике в будущем могут стать так называемые биологические компьютеры, или биокомпьютеры. Биокомпьютеры представляют собой гибрид информационных технологий и биохимии. Исследователи из различных областей науки (биологии, физики, химии, генетики, информатики) пытаются использовать реальные биологические процессы для создания искусственных вычислительных схем. Существует несколько принципиально различных типов биологических компьютеров, основанных на различных биологических процессах: искусственные нейронные цепи, эволюционное программирование, генные алгоритмы, ДНК-компьютеры и клеточные компьютеры. Первые два стали исследоваться еще в начале 40-х годов, но до сих пор эти исследования ни к чему реально работающему не привели. Последние три, основанные на методах генной инженерии, имеют гораздо большие перспективы, но работа в этих областях началась только пять лет назад (особенно продвинулись в этом вопросе Массачусетский технологический институт, лаборатории Беркли, лаборатории Рокфеллера, а также Техасский университет).

Если сравнивать потенциальные возможности биокомпьютера и обычного компьютера, то первый значительно опережает своего теперешнего собрата. Плотность хранения информации в ДНК составляет 1 бит/нм 2 - в триллион раз меньше, чем у видеопленки. ДНК может параллельно выполнять до 10 20 операций в секунду - сравнимо с современными терафлоповыми суперкомпьютерами. Кроме ДНК (хотя ДНК-компьютер наиболее популярен среди разработчиков), в качестве компьютерной биопамяти могут выступать другие биологически активные молекулы, например, бактериородопсин, обладающий превосходными голографическими свойствами и способный выдерживать высокие температуры. На его основе уже создан вариант трехмерного запоминающего устройства. Молекулы бактериородопсина фиксируются в гидрогелевой матрице и облучаются двумя лазерами (см. рис).

Первый лазер (направленный аксиально на гидрогелевый образец) инициирует фотохимические реакции в молекуле и записывает информацию. Второй же, направленный перпендикулярно, считывает информацию, записанную на молекулах бактероиродопсина, находящегося в объеме гидрогеля.

Принцип устройства компьютерной ДНК-памяти основан на последовательном соединении четырех нуклеотидов (основных кирпичиков ДНК-цепи). Три нуклеотида, соединяясь в любой последовательности, образуют элементарную ячейку памяти - кодон, которые затем формируют цепь ДНК. Основная трудность в разработке ДНК-компьютеров связана с проведением избирательных однокодонных реакций (взаимодействий) внутри цепи ДНК. Однако прогресс есть уже и в этом направлении. Уже есть экспериментальное оборудование, позволяющее работать с одним из 10 20 кодонов или молекул ДНК. Другой проблемой является самосборка ДНК, приводящая к потере информации. Ее преодолевают введением в клетку специальных ингибиторов - веществ, предотвращающих химическую реакцию самосшивки.

Создание биологического ДНК-hardware планируется осуществлять с помощью методов генной инженерии, размерные пределы которой горадо ниже литографических. С помощью биологического "железа" в скором времени будет возможным осуществлять цифровой контроль за процессами, протекающими в человеческом организме, и проделывать простейшие математические операции. Ученым из университета г. Висконсин даже удалось провести вычислительную операцию на молекулах ДНК, химически закрепленных на инертной гладкой поверхности золота. Передача сигналов между молекулами ДНК осуществлялась с помощью тепловой энергии и химических веществ. Тим Гарднер из Бостона на примере бактерии кишечной палочки (E-coli) сконструировал цифровой преобразователь биохимическоих сигналов, длительность работы которого составляет 20 часов. Майкл Еловиц из Рокфеллеровского центра научных исследований собрал генетическую последовательность, способную в определенных условиях воспроизводить с определенной частотой одну и ту же биохимическую реакцию (вариант биологических часов). Группа ведущего специалиста в области ДНК-компьютеров Тома Кнайта из Массачусетского технологического, экспериментируя с ДНК-связанными протеинами, создала биохимический цифровой инвертор , в котором, если в биосистему ввести протеин А (+), то на выходе из системы получится протеин Б (-) и наоборот.

Другим перспективным направлением замены полупроводниковых компьютеров является создание клеточных (бактериальных) компьютеров. Они представляют собой самоорганизующиеся колонии различных "умных" микроорганизмов (очень напоминает пчел, которые организуют упорядоченную иерархическую структуру внутри гнезда). Т.е., грубо говоря, стакан с бактериями и будет компьютером. Эти компьютеры очень дешевы в производстве. Им не нужна настолько стерильная атмосфера как при производстве полупроводников. И однажды запрограммировав клетку, можно быстро вырастить миллион таких же клеток с такой же программой.

С помощью клеточных компьютеров станет возможным непосредственное объединение информационной технологии и биотехнологии. Они будут управлять химическим (биохимическим) заводом, они будут делать для вас сорт пива, запрограммированный вами, регулировать биологические процессы внутри вашего организма (например, производить инсулин). Клеточные биокомпьютеры смогут перевести вычисления на химическую основу.

Как уже стало ясно уважаемому читателю, создание биокомпьютеров очень перспективно, но и очень сложно. Пока никто не может ответить, какой конкретно физический принцип заменит полупроводниковые технологии (биокомпьютеры, квантовые компьютеры, оптические компьютеры или какие-нибудь еще). Но исследования в области биокомпьютеров все равно будут продолжаться, поскольку полученные результаты важны не только для создания биокомпьютеров, но и для всей биохимии в целом.

Дмитрий ЩУКИН