[04.10.2000 13:05:50]
Никита Максимов,
<znanie26@online.ru>
Живые компьютеры
"Спустя некоторое время он снова заговорил.
- Кристофер Робин! - крикнул он шепотом.
- Чего?
- По-моему, пчелы что-то подозревают!
- Что именно?
- Не знаю я. Но только, по-моему, они ведут себя подозрительно!
- Может, они думают, что ты хочешь утащить у них мед?
- Может, и так. Разве знаешь, что пчелам в голову придет!"
Алан Александр Милн. "Винни Пух и Все-Все-Все".
(пересказ Б.Заходера)
С компьютером можно проделывать множество самых различных действий. И не
говорите о причудливых программах, которые вы запускаете на нем. Нет, при
желании можно и жарить яичницу на его диске и прожигать дисплей специальной
программой, а также получать удовольствие от разглядывания определенной
последовательности рисунков на мониторе. Но самое простое, самое неожиданное
действие, которое вы можете произвести с компьютером на глазах изумленных
окружающих, - это наклониться к системному блоку и прислушаться.
Прислушались? И сильно шумит? Сильно, сильно, уверяю вас. Некоторые знакомые мне впечатлительные девушки даже спать не могли от этого жужжания. Конечно, это звук
вентилятора, который охлаждает процессор компьютера, но одновременно это и
похоронный марш современным электронно-вычислительным машинам.
Позвольте, спросите вы, откуда такие пессимистические прогнозы? Все новые
процессоры появляются на рынке, все дальше идет прогресс вычислительной техники
в развитых капиталистических странах. В течение последних двадцати лет плотность
транзисторов в микросхеме удваивается каждые полтора года, что привело к
ошеломляющему увеличению производительности компьютеров и уменьшению количества их
комплектующих. Если так будет продолжаться и дальше, то, по прогнозу соучредителя
компании IBM Гордона
Мура, размеры транзистора должны уменьшиться до четырех-пяти атомов.
Все правильно, все по-научному изложено. Но проблема, о которой жужжат
вентиляторы на всех процессорах в мире, заключается в том, что технология
микропроцессоров уже приближается к фундаментальным ограничениям. И среди них
- проблема отвода тепла от процессора.
Таким образом, если в начале нового столетия рост производительности
микропроцессоров прекратится, в вычислительной технике наступит стагнация. Но
возможно, вместо этого произойдет технологический скачок с тысячекратным
увеличением мощности компьютеров. К технологиям, способным экспоненциально
увеличивать обрабатывающую мощность компьютеров, следует отнести молекулярные
или атомные технологии; ДНК и другие биологические материалы; трехмерные
технологии; технологии, основанные на фотонах вместо электронов; и наконец,
квантовые технологии, в которых используются элементарные частицы.
Когда в развитии какой-то области происходит скачок, время между открытиями
сокращается и предыдущие достижения накладываются на следующие, что еще больше
ускоряет прогресс. А если таких успешных направлений будет несколько, то они
распределятся по разным нишам. Например, квантовые компьютеры будут
специализироваться на шифровании и поиске в крупных массивах данных,
молекулярные - на управлении производственными процессами и микромашинах, а
оптические - на средствах связи.
Компьютеры
будущего
Для того чтобы подробно описать достижения и перспективы каждой из этих
технологий, маловато будет одной статьи. Поэтому выбрал самую близкую и интригующую для нас, биологических существ, тему:
биологические компьютеры.
"Тут она подняла глаза и снова увидела Кота.
- Как ты сказала: в поросенка или гусенка? - спросил Кот.
- Я сказала: в поросенка, - ответила Алиса. - А вы
можете исчезать и появляться не так внезапно? А то у меня
голова идет кругом.
- Хорошо, - сказал Кот и исчез - на этот раз очень медленно.
Первым исчез кончик его хвоста, а последней - улыбка; она долго парила в
воздухе, когда все остальное уже пропало.
- Д-да! - подумала Алиса. - Видала я котов без улыбки, но улыбки без
кота! Такого я в жизни еще не встречала".
Льюис Кэрролл. "Приключения Алисы в стране чудес".
Оценивать свои знания об окружающем мире можно по-разному, но самой любопытной
представляется мне ситуация, когда попадаешь на необитаемый остров и начинаешь
объяснять туземцу о благах и достижениях цивилизации, ему неведомой. Вот,
например, автомобиль, - говоришь ты. И на недоумевающий взгляд аборигена
лопочешь о двигателе внутреннего сгорания и других "простых" детальках. (Опущу
ради простоты примера то, на каком языке придется ему все это растолковывать.)
Боюсь, что очень скоро, невзирая на большой багаж знаний, накопленных
человечеством, придется
прибегнуть к методу сравнений. Вот - дерево, оно не похоже на автомобиль, вот -
камень, он по форме напоминает очертания... И так далее.
Поскольку речь сейчас пойдет о предметах виртуальных, которых никто не видел и
которые существуют только на бумаге или в воспаленных деньгами фирм или грантов
головах, то прибегну к такому же способу передачи информации.
Итак, что понимают под биологическим компьютером? Четкого определения, увы, пока
нет. Но попробую перечислить некоторые достижения в разработке
биологических вычислительных устройств или их частей. Именно перечислить, потому
что полный обзор всех мыслимых и немыслимых идей и достижений в этой области
займет больше двухсот страниц убористого текста.
Начну с интригующей работы Роберта Бриджа,
посвященной белку бактериородопсину. Он замечателен тем, что под действием света изменяет свою
структуру. Причем переходит из одного своего состояния в другое, если
воздействовать на него зеленым, красным, синим светом. Фокус заключается в том,
что американца жутко взволновал этот белок, потому что он наслушался разговоров
о советском проекте "Биохром" знаменитого академика
Юрия Овчинникова. Роберт Бридж завелся и начал догонять и перегонять русских.
А русские давно уже перестали этими проблемами интересоваться...
Поскольку можно циклично менять состояние белка бактериородопсина, освещая его
разным светом лазера, то вполне естественно было бы использовать это его свойство
для хранения информации в двоичном коде. Бридж затем предлагал скрестить на
одной плате биологическую память и неживой процессор. Однако, несмотря на то
что технические характеристики такой памяти были вполне сопоставимы с ныне
существующими "железными" аналогами, дело дальше не пошло. Может быть, потому
что соревноваться с русскими больше не имело смысла.
Существует еще множество весьма экзотичных способов использовать живую материю
для создания считающих устройств. Есть работы Рея Пэтона из Ливерпульского университета, посвященные тому, как из печени
сделать компьютер с параллельными процессорами. Ни много ни мало...
А Билл Дитто из Технологического института штата Джорджия провел интересный
эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он
обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны образуют новые
взаимосвязи. Более того, Дитто уверяет, что такая система может производить
математические операции, например, суммирование чисел. Результаты сложения оказались верными. Правда, есть небольшая тонкость - ответы представляют собой запись электрического импульса, который дешифрирует сам ученый, по одному ему
ведомому алгоритму.
"Спираль из колючей проволоки КОНЦЕРТИНО была разработана для замены стандартной
колючей проволоки. Спирали КОНЦЕРТИНО могут быть проложены вдоль существующих
заборов или использоваться независимо как линия барьера. Система используется
широко военными, в промышленности, торговле, тюрьмах, аэропортах, очистительных
сооружениях и т.д. Спираль КОНЦЕРТИНО, в отличие от уколов стандартной колючей
проволоки, разрывает и захватывает нарушителя".
Из рекламного
проспекта Магнитогорского калибровочного завода
Полезная, крайне полезная вещь - спираль ДНК. Мало того что в ней закодирована
вся информация о жизни, ее можно использовать самыми различными способами для
будущих компьютеров. Поскольку в последние годы количество исследований,
посвященных расшифровке генома, во много раз превысило количество таковых во всех остальных направлениях молекулярной генетики, неудивительно, что много перепало и
ДНК компьютерам. На сегодняшний день бюджет работ по этой тематике только в
Америке составляет один миллион долларов.
Первым человеком, который сумел создать из ДНК компьютер, был Леонард Адлеман из
Университета Южной Калифорнии. Еще в 1994 году он сумел "организовать" отрезки ДНК таким образом, чтобы разрешить задачу Гамильтона, которая
заключается в поиске наикратчайшего пути между точками.
"Присвоив" каждой из четырех точек-городов отрезок ДНК определенной длины, он
перемешал их в колбе и нашел правильный ответ. На самом деле такую задачку
может решить и первоклассник, интересно было другое - можно ли применять ДНК для
решения такого рода математических задач. Оказалось, что можно, даже если увеличить
число точек-городов.
(Если уподобить нуклеотид - единицу структурной информации - букве алфавита,
то вы только что прочли примерно пятую часть инструкции, необходимой нашему
организму для выработки белка инсулина. Подобно письменному сообщению, смысл
генетического текста определяется сочетанием четырех нуклеотидов (A, G, T, C) в
нитях, составляющих молекулу ДНК, и они и служат алфавитом, которым пользуется
живая природа. Важно, что нуклеотид A может соединяться только с нуклеотидом T,
G - только с C.)
Вслед за работой Адлемана последовали другие - Лойд
Смит из Университета Висконсин р
ешил с помощью ДНК задачу, которая подразумевала 16 вариантов ответа: какую
пиццу из четырех сортов доставить четырех людям.
А ученые
из Принстонского университета, правда с помощью не ДНК, а РНК, нашли правильный
ответ среди уже 512 вариантов хода для шахматного коня на доске из девяти
клеток.
Назвать все эти вычисления биологическим компьютером сложно, не правда ли?
Логические игрушки, не более.
Еще одно очень забавное применение свойств ДНК обнаружила Вивиана Риска, которая
предложила технологию шифровки письменного сообщения с помощью ДНК - так, чтобы
его не прочел ни один шпион во веки веков.
Я об этом подробно писал в статье "Зашифрованная жизнь".
Вы сами можете послать зашифрованное сообщение своему приятелю по электронной
почте, воспользовавшись страничкой
"DNA-o-gram Generator". Или
расшифровать чужие сообщения. Например вот такое -
TTGATAGTCGTAGGAAAGATAACCGGTAAG
GAGACCATGTTGGG
AACAGTAG
CAAAGTAGGGCGAATAA
А вот сообщение от немецких ученых. Им удалось разработать технологию,
позволяющую запоминать массивы особо секретных данных не в компьютерах, а в
биологических "хранилищах" - в растениях. Основой технологии является
"химический алфавит", с помощью которого данные можно представлять и
распознавать так же, как в битовом представлении, - только в данном случае
информация кодируется не в элементах микросхемы, а в виде молекулы, гена. Для
того чтобы создать "биопамять", достаточно впрыснуть такой ген в растение или в
организм животного, которое становится носителем секретной информации. Чтобы,
наоборот, расшифровать сообщение, достаточно лишь микроскопической пробы,
содержащей молекулу-ген. С помощью особого химического ключа, известного лишь
специалистам-шифровальщикам, запускается реакция полимеразы, позволяющая
создавать столько копий молекулы, сколько необходимо для ее анализа. Фокус
такого сложного способа защиты информации состоит в том, что он предохраняет ее
владельцев не только от проникновения в базу данных, но и от манипулирования
этими данными.
Фраза о цветах, которых так и не увидел профессор Плейшнер, приобретает тем самым
несколько иное звучание.
Но хватит о секретах, поговорим о реальных достижениях. На сегодняшний день
полноценная модель ДНК компьютера создан
а только Ихудом
Шапиро из Вейцманоского института естественных наук ... в пластмассе. Из нее
он соорудил 30-сантиметровую модель биологического компьютера, работающего по принципам живой клетки. В нем находится
своеобразный сборочный конвейер, собирающий белковые молекулы по информации с
ДНК, синтезируя РНК. Компьютер Шапиро считывает информацию, запоминает ее, снова
считывает. Если бы это устройство состояло из настоящих биологических молекул,
его размер был бы равен размеру одного из компонентов клетки - 0,000025 мм. Все
было бы прекрасно, если бы модель была выполнена не из пластмассы.
Впрочем, по мнению Шапиро, современные достижения в области сборки молекул
позволяют создавать устройства и клеточного размера.
Например, фрагменты молекул ДНК способны приводить в действие искусственные
"пальцы" из чистого кремния, в пятьдесят с лишним раз тоньше человеческого волоса. Это экспериментально доказали сотрудники Базельского
университета и Цюрихского исследовательского центра корпорации IBM.
Одноцепочечные спирали ДНК сжимаются или растягиваются в зависимости от
химического окружения и одновременно сгибают либо распрямляют скрепленные с ними
кремниевые стерженьки. Руководитель исследований Кристоф Гербер полагает, что
такие манипуляторы станут частью биомеханических микромашин, которые в обозримом
будущем найдут широкое применение в медицине. Подобные устройства смогут,
например, открывать и закрывать клапаны путешествующих по кровяному руслу
микрокапсул, которые будут транспортировать к определенному органу точно
рассчитанные дозы лекарств.
Это всего лишь детали, скажете вы. Детали, частности чего-то важного и большого, но о чем в целом речь идет - непонятно.
Полностью согласен с вами!
Во-первых, непонятно, какой прогресс достигнут и по какому направлению в развитии
биологических компьютеров, потому что многие разработки, по вполне объяснимым
причинам, засекречены.
Во-вторых, возможно, биологический компьютер из одного "живого" компонента
невозможно построить. Необходимо либо их объединение, либо интеграция в уже
существующие железки.
И самое главное - у меня есть подозрение, что подобное подглядывание за природой
не приведет нас к успеху. Если построить дом по подобию паутины еще возможно, то
использовать механизмы, созданные природой в процессе многомиллиардной эволюции живых существ, может оказаться просто невыполнимой
задачей. Самый последний пример больших сложностей в работе с геномом человека - из
моего разговора с
председателем научного совета по проблеме "Геном человека", академиком РАН Львом
Львовичем Киселевым. Мы, в частности, говорили о генной терапии, которая в
идеале должна вместо больного гена вставить здоровый: "...эволюция "сделала"
клетку жутко умной. Такая изощренность хороша для выживания в самых различных
условиях, даже при повышенном фоне радиации. Но плохо, когда мы пытаемся клетку
или ее содержимое превратить в нечто, ей несвойственное".
Может быть, успех биологических компьютеров, их будущее лежит совсем в другой
области? В дальнейшем изучении головного мозга человека, в понимании процессов,
происходящих в нем? Ведь если нам удастся понять, что происходит в этом "черном
ящике", то может быть, удастся улучшить некоторые его функции или создать копию если не всего мозга, то хотя бы его частей?
Эта идея не кажется столь фантастической. Я уже писал о "Мышке серой,
гениальной". Речь шла об изготовлении препаратов, которые смогут в будущем
очень сильно усилить возможности головного мозга человека. Вполне возможно, что
скоро мы если не поумнеем сразу, то хотя бы начнем использовать свой мозг
намного эффективнее, чем это нам удавалось до сих пор.
Может быть, тогда и компьютеры нам понадобятся совсем другие. Впрочем, если даже
биологический компьютер и будет построен и запущен в массовое производство,
называть его живым существом я бы поостерегся. Куски ДНК, клетки печени или
другой ткани все же не являются объектами для общения. Но никто нам не мешает и
сейчас, ласково поглаживая системный блок, говорить с ним о вечном. Однако
давно было сказано: "Они уносят с собой души
людей, губят их тела, разрушают семьи, затупляют мозги, уничтожают рабочие
места, потребляют деньги, которые могли бы спасти сирот, бездомных и голодных".
И не прислушались
они...
За сим разрешите откланяться.
Публикации по теме:
Yahoo: DNA-Based Computing
DNA Computers
DNA
Computing and Informatics at Surfaces
Publications on DNA
based Computers
Компьютеры будущего
Computer, build
thyself
НОВОСТИ:
Ученые смогли
впервые расшифровать геном микроорганизма Halobacterium, который
может существовать в воде, в десятки раз более насыщенной солями, чем морская.
Возможно, это поможет выращивать рис на более засоленных почвах.
По сообщению агентства "ИнформНаука",
российские биофизики предложили и испытали новую конструкцию биореактора
"Биологическая искусственная печень". Он перспективен для применения при острой
печеночной недостаточности.
|
